Forschungsprojekte der Arbeitsgruppe Imbihl

Die Dynamik heterogen katalysierter Reaktionen ist intensiv untersuchter Gegenstand der Arbeitsgruppe. Hauptsächlich in Einkristallstudien werden in UHV-Systemen kinetische Instabilitäten, chemische Wellenmuster, Fluktuationen und reaktionsinduzierte Substratmodifikationen an verschiedenen Reaktionssystemen der Autoabgaskatalyse studiert. In den experimentellen Arbeiten liegt der Schwerpunkt auf räumlich abbildenden Methoden. Mit mathematischen Modellen können die experimentell gefundenen Phänomene in der Regel erfolgreich reproduziert werden. Als weitere Schwerpunkte traten in den vergangen Jahren die Festkörperelektrochemie und die Druck- und Materiallücke in der heterogenen Katalyse hinzu.

UMSTRUKTURIERUNG ULTRADÜNNER VANADIUMOXID-KATALYSATOREN

 

Eine katalytische Oberfläche wird durch die darauf ablaufenden katalytischen Reaktionen immer verändert. Der Grad der Umstrukturierung kann sich dabei von Strukturänderungen auf atomarer Ebene bis zu wirklichen morphologischen Änderungen auf makroskopischer Ebene erstrecken. Wir untersuchen diese Dynamik mit ultradünnen Vanadiumoxidschichten auf einer Rh(111) Einkristalloberfläche als Modellsystem. Mit verschiedenen räumlich auflösenden Methoden wurde dabei eine erstaunliche Dynamik festgestellt, die von makroskopischen V-Oxidinseln, die sich unter Reaktionsbedingungen aufeinander zu bewegen und verschmelzen bis zu einer chemischen Turbulenz bei der Umverteilung des Vanadiumoxid reicht.

MUSTERBILDUNG AUF RHODIUM NICKEL OBERFLÄCHEN

 

Die Dynamik von bimetallische Oberflächen ist essentiell, um die besondere Rolle von  bimetallischen Systemen in der heterogene Katalyse zu verstehen.  Bei der katalytischen Wasserbildung auf einer bimetallischen Ni/Rh(111)-Oberfläche werden chemische Wellen gefunden. Das heißt, es treten propagierende Reaktionsfronten auf in denen das System über einen chemischen Anregungsmechanismus wieder zum Ausgangszustand zurückkehrt.  Dieser Anregungsmechanismus beruht auf der periodischen Bildung und Reduktion von Nickeloxid. Über sogenannte „spektromikroskopischen“ Untersuchungsmethoden, die die räumliche Auflösung von Elektronenmikroskopen mit lokaler spektroskopischer Information kombinieren,  können die dabei ablaufenden Prozesse aufgeklärt werden.

ELEKTROCHEMISCHE PROMOTION KATALYTISCHER OBERFLÄCHENREAKTIONEN

 

Bei Festkörperelektrolyten ist die Möglichkeit gegeben, durch das einfache Anlegen einer elektrischen Spannung das chemische Potential einer Oberflächenspezies zu variieren. Bei einem bestimmten Probenaufbau, bei dem eine poröse Metallschicht gleichzeitig als Katalysator einer heterogen katalysierten Reaktion und als Elektrode des Festelektrolyten fungiert, wird beobachtet, dass sich beim Anlegen eines elektrischen Potentials die Reaktionsrate drastisch ändern kann. Dieser unter der  Bezeichnung EPOC (Electrochemical Promotion Of Catalysis) bekannte Effekt beruht auf dem elektrochemisch-induzierten „Spillover“ von Adsorbatspezies vom Festelektrolyten auf die Metalloberfläche.