Skip to main content

Lund University Publications

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

The effect of surface steps and oxides on the catalytic activity on model Pd and Rh catalysts

Zhang, Chu LU (2018)
Abstract
A catalyst is a substance that can speed up the rate of a chemical reaction without itself being consumed. Catalysts are crucial for chemical production industries, where about 90% of all chemicals are produced using catalysts. They are also used for exhaust gas cleaning, for instance in cars, where CO and unburned fuels are oxidized to CO2 and NOx is reduced to N2. To optimize catalysts, and develop other or better catalysts in the future, we need to know how they work on the atomic level.

Industrial catalysts are complicated, consisting of active nanoparticles dispersed in a porous oxide support and working under atmospheric or higher pressures. Therefore, it is challenging to study the surface structure. The surface is crucial... (More)
A catalyst is a substance that can speed up the rate of a chemical reaction without itself being consumed. Catalysts are crucial for chemical production industries, where about 90% of all chemicals are produced using catalysts. They are also used for exhaust gas cleaning, for instance in cars, where CO and unburned fuels are oxidized to CO2 and NOx is reduced to N2. To optimize catalysts, and develop other or better catalysts in the future, we need to know how they work on the atomic level.

Industrial catalysts are complicated, consisting of active nanoparticles dispersed in a porous oxide support and working under atmospheric or higher pressures. Therefore, it is challenging to study the surface structure. The surface is crucial because it is the part of the catalyst that interacts with the surrounding gas, and hence is where the catalytic reaction occurs. To be able to study the surface in detail, researchers in the field of surface science study simplified systems, typically perfectly flat single crystals in ultra-high vacuum. This enables very detailed studies but can suffer from being too simplified. The difference in working pressures and complexity between surface science and industrial catalysis are called the pressure and material gaps.

In this thesis, I have taken one step to bridge these gaps for CO oxidation over Rh and Pd. More specifically, I have studied the effect of steps, which are always present on the nanoparticles in industrial catalysts, by studying so-called vicinal single crystal surfaces with a well ordered periodic array of steps. Furthermore, I have studied the role of oxides for the catalytic activity.

My results show that the presence of steps improves the catalytic activity. It is, however, not the steps as such that are most active, but the flat surface near the steps. Further, the activity of the oxides I have studied depends on their surface structure. If there are sites available for CO to adsorb, the oxide is active, while, for instance, the oxygen terminated Rh oxide shows low activity.
These results may be used to optimize the structure and composition of catalysts to expose a perfect density of steps and/or active oxides. (Less)
Abstract (Swedish)
En katalysator är en substans som kan snabba på en kemisk reaktion utan att
själv förbrukas. Katalysatorer används vanligen i kemisk produktion och i bilars
förbränningsmotorer (för att ta bort tex CO och NO). För att optimera katalysatorn
och utveckla andra och bättre katalysatorer i framtiden så behöver vi veta
hur katalysatorn fungerar på atomär nivå. Katalysatorer i industrin är komplexa
vilket gör det svårt att studera deras ytstrukturer. Ytan på katalysatorn är
viktig då den interagerar med den omgivande gasen, ytstrukturen har en direkt
påverkan på processen. Istället för att använda de komplexa materialsystem som
används inom industrin så använder vi en ytvetenskaplig metod vilket betyder
att vi... (More)
En katalysator är en substans som kan snabba på en kemisk reaktion utan att
själv förbrukas. Katalysatorer används vanligen i kemisk produktion och i bilars
förbränningsmotorer (för att ta bort tex CO och NO). För att optimera katalysatorn
och utveckla andra och bättre katalysatorer i framtiden så behöver vi veta
hur katalysatorn fungerar på atomär nivå. Katalysatorer i industrin är komplexa
vilket gör det svårt att studera deras ytstrukturer. Ytan på katalysatorn är
viktig då den interagerar med den omgivande gasen, ytstrukturen har en direkt
påverkan på processen. Istället för att använda de komplexa materialsystem som
används inom industrin så använder vi en ytvetenskaplig metod vilket betyder
att vi förenklar materialet till enkristallina material och låter reaktionerna ske
i ultrahögt vakuum. Detta i kontrast till industrins komplexa nanopartiklar
vid atmosfärstryck eller högre. På grund av de komplexa systemen och tuffa
reaktionsmiljöerna i industrin så kan vi inte direkt studera dessa system, men
inte heller bör vi förenkla systemet för mycket. Vi vill så gott vi kan efterlikna
de villkor som finns i industrin utan att för den sakens skull förlora kontroll
över ytan eller dess omgivning, på så sätt vill vi övervinna det vi ofta kallar för
“tryck-gapet” och “material-gapet”.
I den här avhandlingen har jag försökt att överbrygga dessa gap. Den katalytiskt
aktiva nanopartikeln i en industriell katalysator har ytdefekter såsom
atomära steg och hörn. För att studera inflytandet av sådana defekter på den
katalytiska processen så jämför jag katalysatorer med helt platta ytor med katalysatorer
med ytor som innehåller många defekter, så kallade låg-index och vicinala
ytor. Dessutom, i mer realistiska miljöer så tros oxider spela en viktig
roll för den industriella katalysatorn, därför studerar vi även oxiders effekt på
den katalytiska aktiviteten. I den här avhandlingen studerar jag de vicinala
Rh(553)- och Pd(553)-ytorna. Jag upptäckte att då man exponerar Rh(553)
för den katalytiska reaktionen så omfördelas atomerna på ytan till olika facetter
vilket betyder att steglängden förändras. För att undersöka hur den nya
ytan påverkar den katalytiska aktiviteten så studerades (331) i mer detalj. Den
katalytiska aktiviteten för CO-oxidation varierar beroende på ytstrukturen och
stegdensiteten. Pd(553) omfördelas också under reaktionen men bildar andra
facetter än Rh(553). Angående den katalytiska aktiviteten på ytor med oxider
så Rh är aktivt i dess metalliska fas, Rh-oxiderna inaktiva och aktiviteten hos
Pd-oxiderna varierar med dess tjocklek och deras slutliga ytstruktur. Resultaten
som presenteras i den här avhandlingen visar också att förekomsten av atomära
steg spelar en viktig roll för den katalytiska aktiviteten. Om stegen är för nära
varandra så är inte katalysatorn aktiv. Att finna den optimala stegdensiteten
är bra för att maximera aktiviteten. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Borg, Anne, Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, Institutt for fysikk,, Trondheim, Norge
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Surface X-ray diffraction (SXRD), X-ray photonelectron spectroscopy, Catalytic activity, Oxide, Single Crystal surface, surface structure, vicinal surface, CO oxidation, stepped surface, Fysicumarkivet A:2018:Zhang
pages
84 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science, Department of Physics, Division of Synchrotron Radiation Research
defense location
The Rydberg Lecture Hall, Department of Physics, Lund
defense date
2018-09-13 9:15:00
ISBN
978-91-7753-800-4
978-91-7753-801-1
language
English
LU publication?
yes
id
4800604c-3c9d-4e9e-88f4-524d1367e16a
date added to LUP
2018-08-16 09:47:32
date last changed
2018-11-21 21:41:08
@phdthesis{4800604c-3c9d-4e9e-88f4-524d1367e16a,
  abstract     = {{A catalyst is a substance that can speed up the rate of a chemical reaction without itself being consumed. Catalysts are crucial for chemical production industries, where about 90% of all chemicals are produced using catalysts. They are also used for exhaust gas cleaning, for instance in cars, where CO and unburned fuels are oxidized to CO2 and NOx is reduced to N2. To optimize catalysts, and develop other or better catalysts in the future, we need to know how they work on the atomic level. <br/><br/>Industrial catalysts are complicated, consisting of active nanoparticles dispersed in a porous oxide support and working under atmospheric or higher pressures. Therefore, it is challenging to study the surface structure. The surface is crucial because it is the part of the catalyst that interacts with the surrounding gas, and hence is where the catalytic reaction occurs. To be able to study the surface in detail, researchers in the field of surface science study simplified systems, typically perfectly flat single crystals in ultra-high vacuum. This enables very detailed studies but can suffer from being too simplified. The difference in working pressures and complexity between surface science and industrial catalysis are called the pressure and material gaps.<br/><br/>In this thesis, I have taken one step to bridge these gaps for CO oxidation over Rh and Pd. More specifically, I have studied the effect of steps, which are always present on the nanoparticles in industrial catalysts, by studying so-called vicinal single crystal surfaces with a well ordered periodic array of steps. Furthermore, I have studied the role of oxides for the catalytic activity.<br/><br/>My results show that the presence of steps improves the catalytic activity. It is, however, not the steps as such that are most active, but the flat surface near the steps. Further, the activity of the oxides I have studied depends on their surface structure. If there are sites available for CO to adsorb, the oxide is active, while, for instance, the oxygen terminated Rh oxide shows low activity.<br/>These results may be used to optimize the structure and composition of catalysts to expose a perfect density of steps and/or active oxides.}},
  author       = {{Zhang, Chu}},
  isbn         = {{978-91-7753-800-4}},
  keywords     = {{Surface X-ray diffraction (SXRD); X-ray photonelectron spectroscopy; Catalytic activity; Oxide; Single Crystal surface; surface structure; vicinal surface; CO oxidation; stepped surface; Fysicumarkivet A:2018:Zhang}},
  language     = {{eng}},
  publisher    = {{Lund University, Faculty of Science, Department of Physics, Division of Synchrotron Radiation Research}},
  school       = {{Lund University}},
  title        = {{The effect of surface steps and oxides on the catalytic activity on model Pd and Rh catalysts}},
  url          = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/49750791/Chu_Zhang_WEBB.pdf}},
  year         = {{2018}},
}