Abstract:
Edelmetall Nanopartikel auf Oxid-Trägern werden in der Industrie als heterogene Katalysatoren genutzt, zum Beispiel in Auto-Abgaskatalysatoren. Es ist wichtig, die Lebenszeit dieser Nanopartikel zu erhöhen, um Umweltausbeutung zu verhindern. Die Katalysatorlebenszeit ist allerdings begrenzt, da durch Sintern eine Katalysator-Deaktivierung hervorgerufen wird. In dieser Doktorarbeit wird sowohl die thermodynamische Stabilität der Nanopartikel auf Trägern untersucht, als auch die Sinterungskinetik.
Im ersten Teil wird die thermodynamische Stabilität von reinen Edelmetall-Nanopartikeln untersucht. ... mehrUm die Stabilität von kuboktaedrischen, oktaedrischen und kubischen Nanopartikeln, bestehend aus Übergangsmetallen und Al und Mg zu untersuchen, wird die Dichtefunktionaltheorie (DFT) genutzt. Es wird ein einfaches Modell entwickelt, welches nicht nur die Beiträge der Oberflächen berücksichtigt, wie in Wulff's Konstruktion, sondern auch die von Ecken und Kanten. Besonders ist, dass nur die Kohäsionsenergie und die Oberflächenenergien der fcc(111) und fcc(100) Oberflächen notwendig sind, um auch Oberflächenatome mit niedriger Koordinationszahl zu beschreiben. Mit dem entwickelten Modell kann die Stabilität von Nanopartikeln mit einem mittleren absoluten Fehler von 0.09~eV/Atom berechnet werden.
Um zu verstehen, wie die Stabilität der Nanopartikel zusätzlich durch den Oxid-Träger beeinflusst wird, wurden zahlreiche Metall/Oxid Grenzflächen mit Hilfe von DFT untersucht. Wird nur ein einzelnes Oxid betrachtet, so kann die Abweichung in der Adhäsionsenergie verschiedener Metalle mit der Adsorptionsenergie von Sauerstoff auf den Metalloberflächen beschrieben werden. Dies ist ähnlich zu Skalierungsbeziehungen, welche für die Beschreibung von Adsorbaten auf Metalloberflächen verwendet werden. Die verschiedenen Oxide unterscheiden sich in ihrer Sauerstoffatomanzahl auf der Oberfläche. Dies kann als Deskriptor genutzt und von reinen Oxidoberflächen bestimmt werden. Insofern kann die Adhäsion der untersuchten Grenzflächen, welche von Metall-Sauerstoff-Bindungen dominiert werden, durch eine universelle Skalierungsrelation beschrieben werden, mit einem Deskriptor für das Oxid und einem für das Metall.
Um die Kinetik von Sinterung zu beschreiben, wurde ein auf Kinetik Monte Carlo (kMC) basierendes Modell entwickelt. Dieses beschreibt die Teilchenbewegung und -verschmelzung am Beispiel von Pt Nanopartikeln auf Quarzoberflächen mit Defektstellen. Die notwendigen Diffusionskonstanten wurden aus der Literatur entnommen und basieren auf einem 3D-Gitter DFT/kMC Modell. Untersucht wurde der Einfluss von Temperatur, Teilchengröße, Teilchenkonzentration und Oberflächendefekten. Um die konkurrierenden Sinterungsmechanismen Teilchenbewegung und -verschmelzung sowie Ostwald-Reifung zu beschreiben, wurde ein adaptives kMC Modell entwickelt, in dem die Ostwald-Reifung mittels eines Mean Field Modells beschrieben wird. Bei hohen Temperaturen und Sauerstoff in der Gasphase ist Ostwald-Reifung, bei der über die Gasphase PtO$_2$ zwischen den Pt Nanopartikeln übertragen wird, der dominante Sinterungsmechanismus für das untersuchte Pt/Quarz System.
Das bisher genutzte Mean Field Modell für Ostwald-Reifung basiert auf Annahmen, welche für die makro-skopische Diffusion gültig sind. Im Falle von Nanopartikeln ist die Längenskala allerdings deutlich kleiner. Daher wurde ein kMC-Modell entwickelt, mit dessen Hilfe die Diffusion von einzelnen Atomen oder Molekülen in der Gasphase unter Berücksichtigung von Kollisionen mit dem Hintergrundgas simuliert werden kann. Dieses Modell reproduziert die Eigenschaften eines idealen Gases, wie dessen Diffusionskonstante. Um das kMC-Modell zu testen, wird die Diffusion zwischen zwei Oberflächen abhängig von deren Abstand untersucht. Ist der Abstand kleiner als der mittlere freie Weg des untersuchten Atoms in der Gasphase, dann kommt es zu Unterschieden zwischen dem kMC-Modell und Ergebnissen, berechnet mit Kontinuitätsgleichungen basierend auf den Fickschen Gesetzen. Im Anschluss wurde das kMC-Modell weiterentwickelt, um Ostwald-Reifung über die Gasphase zu simulieren und um die Limitierungen des bisher genutzten Mean Field Modells einschätzen zu können. Im Allgemeinen stimmen die Ergebnisse, welche mit den beiden Modellen erhalten werden überein. Nur in Grenzfällen kommt es zu Abweichungen, zum Beispiel bei gleichgroßen Nanopartikeln.
Abstract (englisch):
Oxide supported noble metal nanoparticles are commonly used as industrial heterogeneous catalysts, for example in automotive exhaust-gas after-treatment systems. To improve their lifetime is highly important to reduce natural resource exploitation. The catalyst lifetime is limited by catalyst deactivation, in particular through sintering. In this thesis, both, the thermodynamic stability of supported nanoparticles as well as their deactivation kinetics through sintering are investigated.
First, the thermodynamic stability of pure unsupported metal nanoparticles is studied. ... mehrDensity functional theory (DFT) is used to examine cuboctahedral, octahedral and cubic nanoparticles of the late transition metals as well as Al and Mg in order to identify their stability as a function of size. A simple model is developed that not only includes the surface energies as in the commonly used Wulff construction but additionally accounts for energies related to edges and corners. Importantly, this model only requires the bulk cohesive energy and the surface energies of the fcc(111) and fcc(100) surfaces, which are used to extrapolate to lower coordination numbers. It is found that the model estimates the stability of nanoparticles with a mean absolute error of only 0.09 eV/atom.
To understand how the support influences the stability of metal nanoparticles, numerous metal/oxide interfaces are investigated using DFT. It is found that for a given oxide, variations in adhesion energies with different metals can be described by the adsorption energy of atomic oxygen on the corresponding metal surfaces, thus forming scaling relations similar to those used for adsorbates on metal surfaces. Variations between different oxides can be analyzed through the number of interfacial oxygen atoms that form metal-oxygen bonds. This descriptor can often be derived from the structure of the clean oxide surfaces. Adhesion of the studied interfaces, which is dominated by metal-oxygen bonds, is thus well described by a single scaling relation, using two descriptors, one for the metal and one for the oxide surface.
To describe the kinetics of sintering for particle migration and coalescence, a kinetic Monte Carlo (kMC) based model is introduced that simulates migration of differently sized Pt nanoparticles on quartz with point defects. Diffusion constants are taken from 3D-lattice DFT-based kMC from the literature. The effects of temperature, particle-size, particle-concentration and support defects are studied.
To investigate the competitive effects of the two different sintering mechanisms, particle migration and coalescence and Ostwald ripening, the latter is simulated through a mean-field model within the kMC model. Under elevated temperatures and oxygen in the gas phase, Ostwald ripening, mediated by mass transfer of volatile PtO$_2$ between Pt particles, is found to be the dominating sintering mechanism for the investigated Pt supported on quartz catalyst.
The used mean-field model for gas phase mediated Ostwald ripening is based on assumptions for macroscopic diffusion. Here, much smaller length scales are involved, because diffusion occurs between nanoparticles.
Therefore, a kMC model is developed that explicitly simulates the diffusion of single atoms or molecules in the gas phase that result from collisions with a background gas.
This model accurately reproduces ideal gas properties such as the diffusion constant.
In model applications, the gas phase mediated mass transfer is studied as a function of the distance between the involved surfaces.
If these distances are within the mean free path, typically a micrometer or lower, continuum models based on Fick's laws deviate from the explicit simulation.
The gas phase kMC model is adapted to simulate gas phase mediated Ostwald ripening to evaluate the used mean-field model and its limitations. Generally the results obtained either using the mean-field model or the kMC model are similar. Only in limiting cases, as equally sized nanoparticles, the models diverge.
