Untersuchung von Ceroxidmodellkatalysatoren auf Cu(111) und Ru(0001)

Kohlenstoffdioxid (CO2) ist das wichtigste anthropogene Treibhausgas. Eine Strategie zur Verringerung der athmosphärischen CO2-Menge ist die Umwandlung in synthetische Treibstoffe wie Methanol. Ceroxid (CeOx) ist hierfür durch seine Fähigkeit zur Sauerstoffspeicherung und -freisetzung basierend auf Wechsel zwischen den Oxidationszuständen Ce3+ und Ce4+ ein geeigneter Katalysator.
Diese Arbeit untersucht ortsaufgelöste Oxidationszustände von CeOx-Inseln auf Cu(111) und Ru(0001) während der Reduktion mit Wasserstoff (H2) und der Reoxidation mit CO2. Es werden I(V)-LEEM- und XAS-PEEM-Messungen genutzt, um zwischen oberflächennahen und tieferen Inselschichten zu unterscheiden und aktive Plätze bei der Reduktion und Reoxidation zu identifizieren.
Die Reduktion der CeO2(111)-Inseln durch H2-Exposition führt auf beiden Substraten zu ähnlichen Anteilen an Ce3+- und Ce4+-Ionen. Auf Ru(0001) kann die Reduktion durch Tempern vervollständigt werden.
Die Reoxidation der CeO2(111)-Inseln bei geringen CO2-Dosen ist unvollständig. Bei hohen CO2-Dosen auf Cu(111) wird eine vollständige Reoxidation beobachtet. Weitere Redoxzyklen auf Cu(111) führen zu einer Strukturänderung der CeOx(111)-Inseln zu hexagonalem Ce2O3. Diese Änderung ist durch CO2-Exposition reversibel und in weiteren Zyklen wiederholbar.
Dynamische I(V)-LEEM-Messungen zeigen, dass sowohl die Reduktion als auch die Reoxidation zunächst an Inselrändern und Defekten einsetzen und danach zu den Inselmitten fortgesetzt werden. Kleine Inseln zeigen gegenüber großen Inseln eine geringere Reoxidation und es werden unterschiedliche Reoxidationsraten bei verschiedenen CO2-Hintergrunddrücken beobachtet. Auf Cu(111) erfolgen die Reduktion und Reoxidation der oberen Lagen vor denen der unteren Lagen.
Diese Ergebnisse liefern wichtige Einblicke in das Verhalten von CeOx-Inseln unter Redoxbedingungen und ermöglichen durch die hohe räumliche und zeitliche Auflösung präzise Informationen über lokale Veränderungen der Oxidationszustände.