Die Wechselwirkung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff mit einer Ruthenium (10-10) Oberfläche

Abstract

Die Adsorption von CO auf einer Ru(10-10) Oberfläche zwischen 120 K und 650 K wurde mittels LEED , Elektronen-Energieverlustspektroskopie (EELS) , temperaturprogrammierten thermischen Desorption (TPD) und Austrittsarbeitsmessungen (CPD) untersucht. CO adsorbiert molekular mit einem Anfangshaftwahrscheinlichkeit nahe eins. Die Adsorption folgt einer Precursor- Kineitk mit einer nahezu konstanten Haftkoeffizienten bis zu einer CO- Bedeckung von 1 . Bei 120 K beobachtet man fünf verschiedene geordnete CO Phasen, unter anderem eine (3×1)- Phase bei Θ = 0,33 und eine nicht-primitive (2×1)- Phase bei Θ=1,0. Sättigung ist erst bei Θ=1,22 erreicht , wo CO eine geordnete inkommensurable Phase ausbildet. Die EELS- Spektren zeigen im Bereich von Θ = 0 bis Θ=1, eine einzige C-O-Streckschwingung bei 2000 cm-1 , welche einer terminalen Adsorption entspricht. Oberhalb Θ=1 erscheint ein zweiter Verlustpeak bei 1810 cm-1, der einer Brücken-gebundenen CO- Konfiguration entspricht. Die TPD- Spektren zeigen drei Bindungszustände β1 , β2 und β3 mit Aktivierungsenergien von 100 kJ/mol für den β2- und 150 kJ/mol für den β3-Zustand. Diese TPD- Zustände können mit der primitiven (2×1)-Struktur (β3) , der nicht-primitiven (2×1)-Struktur (β2) und der inkommensurablen Phase bei Sättigung (β1) korreliert werden. Isostere Messungen mit CPD liefern eine Adsorptionswärme von Q=-157 kJ/mol bis zu Θ=0,5 . Die Austrittsarbeit des Ru (10-10)) steigt bei CO Adsorption um 1,15 eV an mit einem fast linearen Anstieg bis Θ=0,5 , gefolgt von einem weiteren linearen Anstieg bis Θ≈1,0. LEED, EELS , TPD und CPD,-Messungen wurden verwendet, um die Struktur und Schwingungseigenschaften des Ru (10-10) / H- Systems zwischen 100 und 500 K zu untersuchen. Bei allen Temperaturen adsorbiert Wasserstofff dissoziativ mit sehr hohen Anfangshaft- Wahrscheinlichkeit (≈ 1,0) über einen offensichtlichem Precursor-Mechanismus. Die Sättigungsbedeckung bei 100 K ist außerordentlich hoch (Θmax=2; 1,728 E15 H-Atome pro cm²) , bis zu dieser Bedeckung können vier H-Bindungszustände alpha, β1, β2, und β3 mit Desorptionsenergien zwischen 56 kJ/mol (alpha) und 80 kJ/mol (β3) unterschieden werden. Die H-Bindungszustände sind eng korreliert mit den vier beobachtbaren geordneten H-Phasen : Bei Θ=1 erscheint eine c(8x2) oder "1x2"-Struktur mit schwach aufgespaltenen Reflexen, welche bei höheren Bedeckungen in eine deutliche 1x2-Phase mit vergleichsweise schwachen Beugungsreflexen übergeht mit einer maximalen Intensität bei Θ=1,2. Es folgt eine c(2x2) -3H -Phase (Intensitäts-Maximum bei Θ=1,5) mit recht intensiven "Zusatzreflexen", die mit zunehmender Bedeckung verblassen, bis bei Θ=2.0 ein (1x1)-2H -Muster erreicht ist. Die (positive) H- induzierte Austrittsarbeitsänderung durchläuft zwei Maxima und sättigt sich bei ≈ 250 mV . Die Schwingungsverlustspektren, die in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen gemessen wurden, weisen eine Vielzahl von Banden auf, die mit den geordneten H-Phasen korreliert werden können und weisen in zwei verschiedene Arten von gebundenen H-Spezies in dreifach koordinierten Plätzen an dreifach koordinierten Plätzen hin.

The adsorption of CO on a Ru(10-10) surface has been studied between 120 and 650 K by means of LEED, high-resolution electron energy loss spectroscopy (EELS), temperature-programmed thermal desorption (TPD) and contact potential change (CPD) measurements. CO adsorbs molecularly with an initial sticking probability close to unity. The adsorption follows a precursor state kinetics with a nearly constant sticking factor up to a CO coverage of 1. At 120 K five different ordered CO phases can be observed, among others a (3×1) phase at Θ=0.33 and a non-primitive (2×1) phase at Θ=1.0. Saturation is achieved around Θ=1.22 where CO forms an incommensurate ordered phase. The EELS spectra reveal, in the coverage range from Θ=0 to Θ=1 a single C-O-stretching vibration around 2000 cm−1 indicative of a terminal adsorption site. Above Θ = 1 a second loss peak appears at 1810 cm−1 which is associated with a bridge- bonded CO configuration. The TPD spectra exhibit three binding states β1, β2 and β3 with activation energies of 100 kJ/mol for the β2 and 150 kJ/mol for the β3 state. These TPD states can be correlated with the primitive (2×1) structure (β3), the non-primitive (2×1) structure (β2) and the incommensurate phase at saturation (β1). Isosteric heat measurements using CPD reveal Q=-157 kJ/mol up to Θ=0.5. The work function of the Ru(10-10) sample increases by 1.15 eV upon CO adsorption with an almost linear increase up to Θ=0.5, followed by another linear increase up to Θ≈1.0. LEED, EELS, TPD and CPD measurements were used to investigate the adsorptive, structural, and vibrational properties of the Ru(10-10)/H system between 100 and 500 K. At all temperatures investigated hydrogen adsorbs dissociatively with very high initial sticking probability (≈1.0) with apparent precursor mechanism. The saturation coverage at 100 K is extraordinarily high (Θ= 2 corresponding to 1.728 E15 H atoms per cm²), up to this coverage four H binding states alpha, β1, β2, and β3 can be distinguished having desorption energies between 56 kJ/mol (alpha) and 80 kJ/mol (β3). The H binding states are intimately correlated with the four observable ordered H phases: At Θ=1 a c(8x2) or “lx2” structure with weak split spots appears which transforms at higher coverages into a clear 1x2 phase with likewise weak spots and with maximum intensity at Θ=1.2. It follows a c(2x2)-3H phase (intensity maximum at Θ=1.5) with rather more intense ‘extra’ spots which fade away with increasing coverage until at Θ=2.0 a (1x1)-2H pattern is reached. The (positive) H-induced work function change runs through two maxima and saturates at 250 mV. The vibrational loss spectra which were measured in two perpendicular azimuths exhibit a variety of bands which can be correlated with the ordered H phases and point to H species bound in two different kinds of threefold coordinated sites.