Atomic-Scale Structure and Catalytic Reactivity of RuO2

Abstract

The structure and reactivity of the oxygen phases on Ru(0001) and Ru(100) and the bulk RuO2(101) surface were studied by quantitative LEED I/E analysis, TDS and AES. On Ru(0001), the (2´ 2)-3O phase forms at an O coverage of 0.75 ML. The atomic structure of this phase turned out to be a (2´ 2) vacancy structure of a (1´ 1)-O network on Ru(0001). CO does not adsorb on the (2´ 2)-3O overlayer in sample temperature range of 100 K and 300 K. At O coverages above 2 3 ML, RuO2 grows on Ru single crystals. Under UHV conditions, RuO2(110) is formed on Ru(0001), while on Ru(100), the (100) face of RuO2 is exposed. CO molecules bind selectively and strongly on cus (coordinatively unsaturated sites) Ru atoms of these RuO2/Ru surfaces. The CO molecules on the RuO2(110) and RuO2(100) surfaces can readily recombine with the lattice O atoms to produce CO2. The oxide formation is responsible for the high activity of the O-rich phases of Ru(0001) for the CO oxidation. In addition, the weakly bound O species on the RuO2(110) surface was characterized, which may provide a more efficient reaction pathway of the CO oxidation at 350 K, and stabilize the RuO2 catalyst in that the CO-induced vacancies are healed. The bulk RuO2(101) crystal reveals an equally high activity for the CO oxidation reactions as the RuO2(110) and RuO2(100) surfaces.

Die Untersuchungen zur Struktur und Reaktivität von Sauerstoffphasen auf Ru(0001)- und Ru(100)-Oberflächen, und zu dem RuO2(101)-Volumenkristall wurden mittels quantitativer LEED I/E Analyse, TDS und AES durchgeführt. Auf Ru(0001) wird die (2´ 2)-3O-Phase bei einer O-Bedeckung von 0.75 ML gebildet. Die atomare Struktur der (2´ 2)-3O-Phase kann als (2´ 2)-Lochstruktur von der schon bekannten (1´ 1)-O beschrieben werden. Die CO-Moleküle adsorbieren nicht in die (2´ 2)-3O-Phase. Wenn die O-Bedeckung höher ist als 2 3 ML, entsteht RuO2 auf den Ru-Einkristalloberflächen. Unter UHV-Bedingung wachsen RuO2(110)-Domänen auf Ru(0001), während auf Ru(100) die (100)-Fläche von RuO2 parallel zur Substratoberfläche orientiert ist. CO-Moleküle können auf den cus (coordinatively unsaturated sites)-Ru-Atomen von RuO2-Strukturen mit hohen Bindungsenergien adsorbieren. Die CO-Moleküle auf diesen RuO2-Oberflächen können mit den Gitter-O-Atomen zu CO2 reagieren. Die Oxidbildung ist verantwortlich für die hohe Reaktivität der sauerstoffreichen Phasen. Ausserdem wurden die schwach gebundenen Sauerstoffatome auf der RuO2(110)-Oberfläche charakterisiert, die einen effektiveren Reaktionsweg für die CO-Oxidation bei 350 K anbieten. Die schwach gebundenen Sauerstoffatome können auch die RuO2-Katalysatoren dadurch stabilizieren, dass sie die von der CO-Oxidation entstehenden Fehlstellen der RuO2-Katalysatoren heilen. Der RuO2(101)-Volumenkristall zeigt eine ähnlich hohe Reaktivität bei der CO- Oxidation wie die RuO2(110)- und die RuO2(100)-Fläche.