Größenabhängige katalytische Aktivität geträgerter Metallcluster kombiniert mit elektrostatischen Molekularstrahlsimulationen

In dieser Arbeit werden Edelmetallcluster auf verschiedenen Oberflächen abgeschieden, um deren katalytische Eigenschaften zu untersuchen. Dazu wird eine Ultrahochvakuumapparatur vorgestellt, mit der Cluster mittels Gleichstrom-Magnetronsputtern erzeugt und massenselektiert deponiert werden können. Zur Optimierung der apparativen Betriebsparameter, wie elektrische Potentialdifferenzen und Geometrien der ionenoptischen Bauteile, wurde der experimentelle Aufbau auf ein Simulationsmodell übertragen. Damit kann die örtliche Verteilung der Cluster auf einer Oberfläche bestimmt, Aussagen über die Probenhomogenität gemacht und der Clusterstrom durch Anpassung der elektrostatischen Potentiale optimiert werden. Schließlich werden die präparierten Cluster-Oberflächen mittels Temperatur programmierter Desorption und Reaktion untersucht. Mit einer zuvor erstellten Temperaturkalibrierung und anschließender Betrachtung einer einkristallinen Pt(111)-Oberfläche wird der Versuchsaufbau anhand von Literaturdaten validiert. Die Untersuchungen zeigen, dass die CO-Oxidation an Pt-Clustern auf hochorientiertem pyrolytischen Graphit nur für eine Massenverteilung der Cluster beobachtet werden kann, während Pt- bzw. Au-Cluster auf Titandioxid auch massenselektiert katalytisch aktiv sind. Mit zunehmender Größe zeigen die Pt-Cluster auf TiO2 veränderte Reaktionskanäle, wohingegen die Untersuchungen an Au-Clustern auf TiO2 eine Verschiebung der CO2-Desorptionstemperatur mit der Clustergröße hinweisen. Diese ist im Vergleich zu einem reinen Au(110)-Einkristall deutlich erhöht. Das unterschiedliche Reaktionsverhalten wird anhand eines geometrischen Clustermmodells diskutiert.

This research estimates the catalytical properties of mass selected metal clusters deposited on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) and titanium dioxide (TiO2). An ultra-high vacuum molecular beam apparatus is used to produce small precious metal clusters with a DC magnetron sputtering source. To optimize the operating parameters of the apparatus, e.g. electrode voltages and geometries, a particle tracing simulation is built. In addition, the localized cluster beam on the sample can be determined and predictions of the sample homogeneity are enabled. An additional apparatus is developed to analyze the catalytical properties of the cluster samples using thermal desorption spectroscopy (TDS). The calibration of the sample temperature is validated using a Pt(111) single crystal and literature data. A relevant CO combustion can be observed with mass-distributed Pt-Clusters on HOPG and mass-selected Pt- and Au-Clusters on TiO2. Varying the size of the Pt-Clusters results in different reaction channels for the CO combustion. First measurements in changing the cluster size of mass-selected Au-Clusters on TiO2 seems to change the desorption temperature of CO2. Compared to an Au(110) single crystal, the desorption energy of CO2 from Au-Cluster samples is shifted to higher temperatures. The different desorption energies are discussed using a geometrical model.