Institute of Materials Chemistry
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Instrumentation

Figure 1: Laborgestütztes In-situ NAP_XPS

Laborgestütztes In-situ NAP-XPS

Unser In-situ „Near Ambient Pressure“ XPS (NAP-XPS) System wurde speziell für die Untersuchung von (Modell-) Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen entwickelt. Da unser derzeitiges ERC Projekt sich auf Elektro-Katalyse (nachhaltige Treibstoffproduktion und Chemische Energieumwandlung mit Hilfe von Brennstoffzellen) konzentriert, haben wir einen Probenhalter sowie dessen Bühne entworfen, der gleichzeitig die Untersuchung von katalytischen Versuchen als auch elektrochemische Charakterisierung ermöglicht (3 Elektroden-Geometrie, Laserheizung auf bis zu 1000°C).

Um eine direkte Verbindung zwischen Katalyse und Oberflächenstruktur sowie elektrochemischen Eigenschaften herzustellen, kann die Spektroskopie-Kammer im Flussmodus betrieben werden. Online-Reaktionsanalyse wird mit einem Massenspektrometer (MS) und einem Gas-Chromatograph (GC) durchgeführt. Elektrochemische Analyse erfolgt durch Impedanz-Spektroskopie (EIS) und durch Messung des Strom-Spannungslinien (IV).
Durch die Kombination dieser einzigartigen, oben vorgestellten Messmethoden in einem einzelnen System ist es möglich Informationen über die Leistungsfähigkeit sowie Oberflächeneigenschaften des zu untersuchenden Katalysators in Echtzeit zu erhalten.
Durch den modularen Probenhalter sowie dessen Bühne und der Laserheizung ist es möglich eine breite Vielfalt von Proben (zum Beispiel Einkristalle, dünne Filme, Folien, Industriekatalysatoren) zu untersuchen. Eine Schleuse ermögliche schnellen Probenwechsel in und aus dem System. Zusätzlich ist die Probenbühne austauschbar, was uns die ununterbrochene Möglichkeit zur Weiterentwicklung für zukünftige Projekte gibt.

Figure 2: XPS/PM-IRAS Setup

XPS/PM-IRAS Setup

Die Hauptaufgabe dieser Anlage ist Modellkatalysatoren zu präparieren und charakterisieren sowie ihre Eigenschaften bezüglich heterogener Katalyse zu erfassen. Es ist eine Spezialanfertigung mit einer Hochdruckzelle für Polarisationsmodulierter Infrarot-Reflexions-Spektroskopie (PM-IRAS) Messungen im Druckbereich von 10-9mbar bis 1000mbar. Dabei wird die Kluft zwischen Ultrahochvakuum (UHV) und Umgebungsdruck. Die Anlage besitzt eine UHV Präparationskammer für Probenpräparation als auch Charakterisierung mit Hilfe von LEED, XPS, AUGER und TPD. Eine Gas-Dosieranlage sowie ein PVD Evaporator sind ebenfalls vorhanden. Nach Präparation können Proben direkt in die Hochdruckzelle transferiert werden. Diese Hochdruckzelle ist als diskontinuierlicher Reaktor („batch-reactor“) konzipiert. Bei Bedingungen ähnlich der realen Katalyse können adsorbierte Spezies auf der Modellkatalysatoroberfläche identifiziert werden. Durch einen speziellen Probenhalter und Probenbefestigung können Temperaturen zwischen 77 und 1200 K angesteuert werden.

Figure 3: XPS/HT-STM Setup

XPS/HT-STM Setup

Dieses System ist ein erweitertes „Scanning Tunnel“ Mikroskope (STM) von SPECS (Deutschland) mit drei Kammern wobei eine für das STM, eine für die Probenpräparation und eine für schnelles schleusen zwischen Ultra Hoch Vakuum (UHV) konzipiert sind. Die Präparationskammer ist für LEED, TPD, einem hemisphärischen Analysator für XPS, AUGER, und LEIS Messungen ausgerüstet. Zusätzlich hat die Anlage eine Gas-Dosiereinheit und einem PVD Verdampfer. Diese Apparatur ist für die Präparation und Charakterisierung von Katalysatoren im UHV bestimmt.

Figure 4: SFG_setup "DAISI" with laser optics and UHV + spectroscopic cell

SFG-Setup

Dieser Aufbau wird genützt für die Modell-katalysatoren Präparation und Charakterisierung. Dabei werden Einkristalle bis hin zu Nanopartikeln auf einem Träger, optional mit Wechselwirkung mit einem Gas, untersucht. Der Aufbau besteht aus drei Teilen: einer UHV Präparationskammer, einer Schleuse für schnellen Probentransfer und einer Spektroskopie-Zelle für die Untersuchung der Proben unter realkatalytischen Bedingungen. Die Präparationseinheit ist mit den gängigen Werkzeugen für Oberflächenanalyse ausgestatten: Ionenquelle bzw. Ionenkanone, Gas Dosierung, PVD Verdampfer, Massenspektrometer für TPD und LEED mit AUGER-Optik. Proben können innerhalb des Aufbaus ohne das Vakuum zu brechen in die Spektroskopie-Zelle transferiert werden.  Dies ermöglicht den Einsatz der Summenfrequenzerzeugung (SFG) unter Reaktionsbedingungen. Die Zelle ist als Umwälzreaktor mit Gasanalyse durch ein Massenspektrometer konzipiert. SFG untersucht die Probenoberfläche auf mögliche Schwingungsanregungen im Bereich von 1000 bis 4500 cm-1. Dadurch kann Information über die an der Oberfläche aufsitzenden (Gas-)Moleküle gewonnen werden. Diese Methode kann im gesamten Druckbereich, von UHV hin zu Normaldruck, angewendet werden und überbrückt den bekannten „pressure-gap“ der zwischen Modellsystemen im UHV und realer Katalyse existiert.

Figure 5: Microreactor

 

Mikroreaktor

In der heterogenen Katalyse ist von großer Interesse wie nach Präparation und Charakterisierung eines Ein- oder Mehrkristall Modellkatalysator dieser sich unter Reaktionsbedingungen (erhöhter Druck und Temperatur) verhält. Dieses Verhalten ist erfassbar durch die Kinetischen Parameter wie zum Beispiel Umsatz, Produktmenge, katalytische Leistung und Selektivität. Kommerziell erhältliche Systeme übersteigen in ihrem Reaktorvolumen die aktive Oberfläche eines Modellkatalysators um Größenordnungen und verringern enorm die Messsensitivität für Reaktionsgase. Um diese Herausforderung zu lösen wurde ein kompakter, zerlegbarer Mikroreaktor entwickelt, der sowohl eine Präparation unter UHV Bedingungen zulässt, als auch den Umsatz bei Reaktionen (Druck bis 1 bar) am Modellkatalysator erfasst. Das geringe Volumen der Kammer (Kammer in Kammer Design) des Flussreaktors erlaubt eine exzellente Charakterisierung des Modellkatalysators.