Reaktivität und Femtosekundendynamik kleiner Silbercluster und gemischter Silber-Gold-Cluster

Abstract

In dieser Arbeit werden Untersuchungen zur Reaktivität und Femtosekundendynamik kleiner Silbercluster und gemischter Silber-Gold-Cluster in einer Oktopol-Ionenfalle vorgestellt. Das wesentliche Ziel war die Charakterisierung spe-zifischer Eigenschaften von Edelmetallclustern im Größenbereich von eins bis dreizehn Atomen, wo Quanteneffekte eine entscheidende Rolle spielen. Die wichtigsten Parameter, die bei den Messungen verändert wurden, sind die elektrische Ladung des Clusters, seine chemische Zusammen-setzung und die Anzahl der Atome pro Cluster. Am Beispiel des Silberdimers konnte eine starke Ladungsabhängigkeit der chemischen Reaktivität gegenüber O2 und CO gezeigt werden: O2 bindet nur molekular an Ag2-, kann jedoch auch disso-ziativ an Ag2+ binden. Das Silberdimer wurde auch als Modellsystem für zeitaufgelöste Unter-suchungen der Kerndynamik mittels der sogenann-ten Ne(gativ)Ne(eutral)Po(sitiv)-Spektroskopie gewählt. Aus dem Vergleich der Femtosekunden-dynamik des reinen Ag2 und des Komplexes Ag2O2- konnte erstmalig der Einfluß des O2-Liganden auf die Kerndynamik dieses Clusters in Echtzeit gemessen werden. Durch Änderung der chemischen Zusammensetzung von AgnAum- Clustern konnte ein unerwartetes reaktives Verhalten gegenüber O2 und CO beobachtet werden. Insbesondere kann die Ersetzung eines Silberatoms durch ein Goldatom (oder umgekehrt) zu einer vollständigen Unter-drückung der Reaktion führen. Beim gemischten Cluster Ag2Au wurde mittels NeNePo-Spektroskopie die geometrische Relaxation des durch Elektron-enablösung entstehenden linearen Neutralteil-chens in seine dreieckige Gleichgewichtskon-figuration gemessen. Gegenüber dem Cluster Ag3 wurde eine erhebliche Änderung der Zeitskalen der Kern-dynamik und der intramolekularen vibrationellen Umverteilung (IVR) der Energie beobachtet. Bei den Messungen der Reaktivität von Agn- mit O2 zeigte sich ein stark größen- abhängiges Reaktionsschema, bei dem geradzahlige Cluster ein, bzw. drei O2-Moleküle binden kön-nen, während ungeradzahlige Cluster zwei O2-Moleküle anlagern. Die Bindungsenergien der AgnO2- Komplexe wurden durch eine RRK- Analyse berechnet. Durch Untersuchungen der Koadsorption von O2 und CO an Agn- sowie deren Reaktivität mit NO wurde nachgewiesen, daß eine kritische Clustergröße für die Umverteilung der Reaktions-wärme des entstehenden Cluster-Adsorbat-Komplex existert. Darüberhinaus wurden Hinweise für eine katalytische Oxidation von CO durch Ag7-, Ag9- und Ag11- gefunden und möglicherweise eine Reduktion von NO durch Ag5-.

In this thesis investigations on the reactivity and femtosecond dynamics of small silver clus-ters and mixed silver-gold clusters are repor-ted. The main goal was the characterization of specific properties of small noble metal clus-ters in the size range of one to thirteen atoms, where quantum effects play a decisive role. A significant influence of the electric charge of the cluster, its chemical composition and size was observed. In the case of the silver dimer, a strong charge dependence of the chemical react-ivity towards oxygen (O2) and carbon monoxide (CO) could be shown: O2 only binds molecularly to Ag2-, while a dissociative adsorption on Ag2+ was observed. The silver dimer was also chosen as model system for time resolved investigations of nuclear dynamics via the method referred to as Ne(gative)Ne(eutral)Po(sitive)-spectroscopy. By comparing the femtosecond dynamics of the pure Ag2 cluster with the dynamics of the com-plex Ag2O2-, the influence of the O2-ligand on the nuclear dynamics of this cluster could be determined for the first time. By changing the chemical composition of AgnAum- clusters, an unexpected reactive behavior towards O2 and CO was found. The replacement of one silver atom by a gold atom (or vice versa) can lead to a total suppression of the reaction. In the case of the mixed cluster Ag2Au, the geometrical relaxation from the linear configuration of the neutral state prepared via photodetachment to the tri-angular equilibrium structure was investigated. In comparison to the Ag3 cluster, a significant change in the time scales of the nuclear dynamics and the intramolecular vibrational redistribution (IVR) of energy was observed. The reactivity study of Agn- with O2 revealed a strongly size dependent reaction scheme, where even numbered clusters adsorb one or three O2-molecules, while odd numbered clusters adsorb two O2-molecules. The binding energies of the AgnO2- complexes were calculated by employing a RRK-analysis. By investigating the coadsorbtion of O2 and CO on Agn-, as well as the reactivity of Agn- with nitric oxide (NO) it could be shown, that for the redistribution of the heat of reaction released in the formation of the cluster-adsorbate-complex a critical cluster size exists. Furthermore, indications for a catalytic oxidation of CO by Ag7-, Ag9- and Ag11-, and possibly a reduction of NO by Ag5- were found.