Untersuchung von Edelmetallpartikeln auf Metalloxidträgern mittels Kelvinsonden-Rasterkraftmikroskopie

Abstract

Die Metall-Träger-Wechselwirkung ist ein wichtiger Effekt in der heterogenen Katalyse und der Grund für die unterschiedliche katalytische Aktivität und Selektivität von Metallpartikeln, die auf verschiedenen Trägern aufgebracht sind. In dieser Arbeit wird diese Wechselwirkung mit Hilfe der Kelvinsonden-Rasterkraftmikroskopie untersucht und durch ein Simulationsmodell umfassend beschrieben. Die gewählte Messtechnik erlaubt die Bestimmung des Oberflächenpotentials mit einer Auflösung im Nanometer-Bereich und damit eine genaue Aufklärung des elektronischen Beitrags dieser Wechselwirkung. Es werden verschiedene Edelmetallpartikel auf pulverförmigen Cerdioxid-, Titandioxid- sowie Aluminiumoxid-Trägern aufgebracht und bei Raumtemperatur sowie Umgebungsatmosphäre und Normaldruck untersucht. Hierbei wird ein positives Oberflächenpotential der Metallpartikel gemessen, welches mit der Partikelgröße zunimmt, sowohl vom aufgebrachten Edelmetall als auch vom Träger abhängt und bei Cerdioxid und Titandioxid um ein bis zwei Größenordnungen höher ist, als bei Aluminiumoxid. Zur Interpretation des positiven Oberflächenpotentials der Metallpartikel werden bestehende Modelle evaluiert und erweitert. Ein besonderes Augenmerk wird hierbei auf die Beschreibung der Ladungsverteilung im Partikel und im Träger sowie die Berücksichtigung der experimentellen Signalverbreitung gelegt. Mit Hilfe des erweiterten Modells eines Nano-Schottky-Kontaktes kann der Ladungsübertrag vom Metallpartikel auf den Träger quantitativ beschrieben und die Abhängigkeit von den verschiedenen Trägermaterialen und abgeschiedenen Edelmetallen sowie der Größe der Metallpartikel betrachtet werden. Zusätzlich werden die Ergebnisse in Bezug auf die elektronische Struktur der Edelmetallpartikel und Metalloxid-Träger, sowie der Bildung von Fehlstellen im Träger durch den Ladungsübertrag interpretiert. Die Bildung von Sauerstoff-Superoxidanionen durch die Adsorption von molekularem Sauerstoff an Oberflächendefekten von Cerdioxid und Titandioxid bietet die thermodynamische Erklärung des Ladungstransfers vom Metallpartikel auf den Träger.

The metal support interaction is an important effect in heterogeneous catalysis. It explains the different catalytic activity and selectivity of metal particles depending on their support materials. This thesis studies this interaction using the Kelvin probe force microscopy combined with a detailed simulation model. The chosen technique allows the surface potential measurement on a nanoscale level and therefore a detailed investigation into the electronic effect of the metal support interaction. Particles of different platinum group metals are deposited on bulk ceria, titania and alumina supports. All measurements are performed at room temperature and in ambient atmosphere. A positive surface potential increasing with particle size was observed for all metal particles. The observed magnitudes depend on the supported metal and the support material and are one to two orders of magnitude higher for titania and ceria compared to alumina. Existing models are evaluated and improved for the interpretation of the experimental surface potential data. Particular attention is paid to the charge distribution inside the particle and the support as well as the experimental tip induced signal broadening. An extended model of a Schottky nano contact allows to describe the charge transfer from the metal particle to the support quantitatively and to analyze it in regard to the support materials and supported metals as well as the metal particle size. Further attention is paid to the formation of lattice defects inside the metal oxide supports due to the charge transfer and to the electronic structure of the supported metal particles and their supports as well. The formation of oxygen superoxide anions due to the adsorption of molecular oxygen at surface defects of ceria and titania provides a thermodynamical explanation for the charge transfer from the metal particle to these supports.