Data for ESP 266-N project: Molecular Insights in Water Gas Shift on NiZrOx/GR Catalysts
Authors/Creators
- 1.
TU Wien
Description
In D2O ice on ALD films _SFG, XPS, STM.zip , CO on ZrO2 foil, Ni60, NiZr.zip and Enhancement of SFG signal of CO on sputtered Ir(111).zip, Igor- and Illustrator-processed data, manuscripts, figures, and PowerPoint slides are also included.
In Graphene on Ir(111).zip, most of the data are related to LEED, AES, and SEM-EDX measurements of graphene layers on Ir(111) surfaces.
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Abstract (German)
Im Allgemeinen adsorbiert das CO auf dem Metallteilchen, während Wasser, H2O, auf dem oxidischen Träger aktiviert wird, bzw. in OH* zersetzt wird. Traditionell werden zwei verschiedene Mechanismen diskutiert. Der sogenannte assoziative Mechanismus, bei dem CO* und OH* reagieren, was wahrscheinlich an der Metall/Oxidgrenzfläche passiert. Hierbei können Carboxylate (COOH*), Formiate (HCOO*) und/oder Carbonate (CO3*) gebildet werden, welche entweder als Intermediate oder inerte Spezies fungieren. Die Zersetzung von Carboxylat (COOH*) oder Formiat (HCOO*) bildet schließlich die Produkte CO2 und H2. Dies ist stark verschieden vom Redoxmechanismus, in dem CO direkt mit einem Sauerstoff des Oxides reagiert und direkt ein CO2 bildet. Die Fehlstelle, wo der Sauerstoff saß, aktiviert daraufhin das Wasser, H2O, dissoziiert und lässt den Wasserstoff, H2, frei.
Das Hauptziel dieses Projektes ist es, einen neuartigen Katalysator basierend auf bimetallischen NiZrOx Nanoteilchen zu präparieren und zu charakterisieren. Die Ni Partikel werden auf einer Graphenschicht verankert, welche durch Gasphasenabscheidung auf einer Ir(111) Schicht im Ultrahochvakuum aufgebracht wird. Dieser Katalysator hat die Oxidfunktionalität gleich in die Nanopartikel eingebaut. Die Oberflächenstruktur und Zusammensetzung wird durch mehrere Verfahren bestimmt: low energy electron diffraction (LEED), Auger Elektronen Spektroskopie (AES), Röntgen Photoelektronen Spektroskopie (XPS), Oberflächen Röntgenbeugung (SXRD) und Rastertunnelmikroskopie (STM). Die katalytische Aktivität, Adsorption der Ausgangsstoffe, sowie deren Koadsorption wird mit Hilfe von Summenfrequenz-Erzeugung (SFG) Laserspektroskopie und Massenspektroskopie gemessen. Mit Hilfe von SFG kann nun der Adsorptionsplatz, z.B. ein-, zwei-, oder dreifach koordiniert, sowie die Orientierung der adsorbierten Moleküle auf der Oberfläche bestimmt werden, was in Kombination mit einer rechnergestützten Modellierung dieser Oberflächenspezies Rückschlüsse auf den Mechanismus erlaubt.
Other (English)
Most important results
This project investigated the water-gas shift (WGS) reaction, in which CO and H₂O react to form CO₂ and H₂, using bimetallic NiZrOₓ nanoparticles supported on graphene/Ir(111). To elucidate the reaction mechanism, we first investigated CO and H₂O adsorption on several reference surfaces.
For CO on Ir(111), the resonant sum frequency generation (SFG) signal of the C–O stretch was approximately eight times stronger on a rough than on a smooth surface. We systematically evaluated possible origins, including coverage, lateral interactions, molecular hyperpolarizability, adsorption geometry, Fermi resonances, hot vibrational bands, and surface plasmons. We concluded that sputter-induced surface roughness, evidenced by scanning tunneling microscopy (STM), promotes localized surface plasmon resonances (LSPRs), resulting in the observed SFG enhancement. CO adsorption on Gr/Ir(111) showed no evidence of intercalation, confirming the integrity of the graphene layer.
For atomic layer deposition (ALD) ZrO₂, Al₂O₃, and TiO₂ films, no OH groups were detected at room temperature, even after heating ZrO₂ in 10 mbar H₂O at 520 K. At 93–95 K, residual H₂O produced a free-OH signal at 3720 cm⁻¹. To avoid this interference, we used D₂O to form amorphous solid water (ASW). At low coverage, the SFG spectra showed free OD (~2730 cm⁻¹) and a broad feature (~2650 cm⁻¹) assigned to water hydrogen-bonded to the oxide surface. With increasing coverage, water–water hydrogen bonding became dominant. H₂O-ASW exhibited a stronger and narrower surface-hydrogen-bonded OH signal but a weaker free-OH signal, indicating fewer free OH groups. No significant differences in the D₂O hydrogen-bonding networks were observed among the ALD films.
Finally, no CO SFG signal was detected on Ni₆₀/Zr foil at 100–200 K up to 26 mbar, suggesting either a low CO surface density or poor ordering on the Ni particles. D₂O-ASW on Ni₆₀/Zr also produced much weaker free-OD and hydrogen-bonded OD signals than the ALD oxides, while the absence of the ~2650 cm⁻¹ feature further supports its assignment to water–oxide hydrogen bonding.
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Additional details
Identifiers
- DOI
- 10.55776/ESP266
Dates
- Submitted
- 2026-08-17