Surface Studies of Model Systems relevant for Pd and Ag Catalysts

Abstract

This PhD thesis reports on investigations of the atomic scale structure of model catalysts relevant for the catalytic oxidation of CO and methane over Pd, and NOx reduction over silver-alumina, important reactions in automotive catalysts. By using complementary experimental techniques such as X-ray Photoelectron Spectroscopy, High Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy, Surface X-ray Diffraction, Low Energy Electron Diffraction, Infrared Spectroscopy, and Scanning Tunneling Microscopy, combined with theoretical calculations, the work presented in this thesis aims at an atomistic characterization of the active sites for silver-alumina and Pd model catalysts which may help to the design of new and improved catalysts. The results highlight the complexity of the different structures that may form upon oxygen interaction with Ag and Pd single crystal surfaces.

The gas adsorption studies (CO, NO) on clean and oxidized silver surfaces give insights into the chemical properties of the surfaces, information important for the understanding of the reaction mechanism for the NOx reduction. We have been able to propose models for the adsorption sites for CO and NO on oxidized Ag surface and to propose a model system for the NOx reduction over silver-alumina.

A particular surface orientation of bulk Pd oxide, the PdO(101) was found to be active for the oxidation of methane. Our studies allow us to reveal the active sites on the surface, information important for the design of better catalysts. Moreover, the results from the CO oxidation over Pd(100) give new insights into the reaction mechanism. The active phase switches between a surface with chemisorbed oxygen to a surface oxide when the oxygen partial pressure is increased.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Katalys är en nyckelteknik inom kemisk industri och spelar en förvånansvärt viktig roll i vårt moderna samhälle. Många av de produkter och kemikalier som används i vårt dagliga liv produceras faktiskt med hjälp av katalysatorer. En annan mycket viktig tillämpning är att avlägsna giftiga ämnen från fordonsavgaser. Det mest fantastiska är att en katalysator snabbar på och förenklar en reaktion utan att själv förbrukas under reaktionen! I heterogen katalys, där reaktanterna är i gasfas och katalysatorn ett fast material, sker reaktionen på ytan av katalysatorn, men förståelsen av denna process på atomär nivå är mycket begränsad. För att öka förståelsen och därmed möjliggöra en mer rationell utveckling av framtida katalysatorer har jag, i den här avhandlingen, undersökt ytstrukturen av katalytiskt aktiva material i kontakt med reaktionsgaser.



Industriella katalysatorer är oftast mycket komplexa materialsystem och består av aktiva metallpartiklar utspridda på en porös metalloxid, vilket gör dem svåra att karakterisera på atomär nivå. Därför skapar man istället modellsystem som är lättare att studera. I den här avhandlingen har vi använt modellsystem bestående av enkristallina katalytiskt aktiva metallytor som med hjälp av yt-känsliga experimentella tekniker kan karakteriseras på en atomär nivå. Speciellt har vi studerat katalytisk oxidering av CH4 och CO över palladium, och reducering av NOx över silver-aluminiumoxid på en atomär nivå. Dessa reaktioner är bland de viktigaste i en katalysator i ett modernt fordon.



Vi har undersökt hur silver- och palladiumytor växelverkar med gaser såsom CO, CH4, NO eller H2 i en omgivning av höga mängder syre. För detta ändamål har vi använt en kombination av experimentella tekniker och teori och resultaten har gett en ny förståelse för hur dessa gaser växelverkar med dessa ytor.

De komplexa syrestrukturer som bildas på palladium och silver vid höga syretryck, visar mycket annorlunda adsorptionsegenskaper än de rena ytorna, information som kan visa sig vara viktig i mer realistiska miljöer. Med hjälp av högupplöst fotoelekronspektroskopi har vi kunnat visa hur dessa gaser adsorberar på den syretäckta silverytan, och föreslår vidare ett modellsystem för att i detalj kunna studera NOx reducering över silver-aluminiumoxid.



I avhandlingen visas också att en speciell palladiumoxid yta, PdO(101) är mycket aktiv för oxidering av både kolmonoxid och metan. Våra mätningar tillåter oss att avslöja de aktiva sätena på ytan och ny information om reaktionsmekanismen, information som är viktig för utvecklingen av bättre katalysatorer.

• author: Martin, Natalia
• supervisor: Edvin Lundgren; Johan Gustafson
• opponent: prof. Diebold, Ulrike, Vienna University of Technology, Austria
• organization: Synchrotron Radiation Research; Synch Rad Res-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: High Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy, alumina, Ag, NiAl, Pd, catalysis, model system, Surface X-ray Diffraction, Low Energy Electron Diffraction, Scanning Tunneling Microscopy, Fysicumarkivet A:2014:Martin
• pages: 246 pages
• defense location: Rydberg Lecture Hall, Department of Physics
• defense date: 2014-03-28 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-861-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: f5629ad9-0d51-45b9-92ac-3fa6df39ce95 (old id 4333133)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:59:59
• date last changed: 2018-11-21 21:08:26