Experimental control of Ce3+ concentration in ceria based model catalysts

Abstract

Koncentrace iontů Ce3+ je jeden z nejvýznamnějších parametrů ovlivňujících reaktivitu katalyzátorů na bázi oxidu ceru. V této práci jsou zkoumány různé experimentální přístupy pro kontrolu koncentrace iontů Ce3+ v modelových katalyzátorech na bázi oxidu ceru: i) ovlivňování stechiometrie oxidu ceru, ii) dopování prvkem s vysokou valencí a iii) růst ultra-tenkých vrstev oxidu ceru se silnou interakcí s kovovým substrátem. Struktura, morfologie a chemický stav připravených tenkovrstvých systémů na bázi redukovaného oxidu ceru jsou zkoumány pomocí metod povrchové analýzy: rastrovací tunelové mikroskopie, difrakce nízkoenergetických elektronů a rentgenové fotoelektronové spektroskopie. V předkládané práci je prezentována originální metoda redukce oxidu ceru, která umožňuje přesnou kontrolu stechiometrie a stupně redukce oxidu ceru (i). Dále jsou představeny metody pro přípravu vysoce uspořádané wolframem dopované tenké vrstvy oxidu ceru (ii) a vysoce kvalitní 2D ultratenké vrstvy oxidu ceru na Cu (1 1 1) (iii). Metody přípravy a modelové systémy představené v této práci zahrnují různé fyzikálněchemické principy vzniku iontů Ce3+ a poskytují výběr modelových systémů užitečných pro studium vlivu iontů Ce3+ s rozdílným původem na reaktivitu zkoumaných katalyzátorů.

Concentration of Ce3+ is one of the most important parameters that influence the reactivity of ceria based catalyst. In this work we examine different experimental approaches for controlling Ce3+ concentration in cerium oxide model catalyst systems such as: i) influencing the stoichiometry of ceria, ii) introducing high valence doping agent, and iii) growing ultra thin ceria films with a strong metal substrate interaction. Structure, morphology and chemical state of prepared reduced ceria based systems were examined by means of surface science techniques: scanning tunneling microscopy, low-energy electron diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy. In the present work an original method of ceria film reduction was introduced that allows stepwise control on stoichiometry and degree of film reduction (i). Further we introduce preparation procedures for well-ordered tungsten doped ceria model system (ii) and for the high quality 2D ultrathin ceria system on Cu (1 1 1) (iii). Preparation methods and model systems introduced in this work incorporate different physicochemical principles of Ce3+ induction and provide a variety of model systems useful for examining different effects that diversely prepared Ce3+ ions have on the activity of the catalyst.