Surface Studies of Model Systems relevant for Pd and Ag Catalysts

Abstract: 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.