Um die Korrelation zwischen Partikelgröße und Reaktivität von Pd Nanopartikeln auf Eisenoxid zu untersuchen wurde die experimentelle Methode Einkristalladsorptionskalorimetrie mit der Präparation von Modellsystemen kombiniert. Da diese Systeme mit mikroskopischen Methoden untersucht wurden, liegen detaillierte strukturelle Informationen vor. Es konnte gezeigt werden, dass die Adsorptionsenergie auf 3.4 nm großen Pd Nanopartikeln um 69 kJ/mol höher ist als auf Pd(111). Dieser Effekt resultiert aus der Änderung des Adsorptionsplatzes von Facettenplätzen auf Pd(111) zu Kantenplätzen auf Pd Nanopartikeln. Die Änderung der Partikelgröße im Bereich 3.4 nm - 1.9 nm führt zu einer Verringerung der Adsorptionsenergie um 70 kJ/mol. Eine Reduktion der Adsorptionsenergie auf kleineren Nanopartikeln wurde auch für CO gemessen. Die Differenz in der Pd-O Bindungsenergie zwischen den verschiedenen Systemen verringert sich bei erhöhter Adsorbatbedeckung. Die Anzahl adsorbierter Sauerstoffatome auf frisch präparierten Pd Nanopartikeln bei 300 K ist um drei bis vier mal höher als die Anzahl an Sauerstoffatomen welche Pd Oberflächenplätze sättigen können. Diese Beobachtung kann mit Sauerstoffdiffusion in die Nanopartikel oder in den Träger erklärt werden. Die Wechselwirkung zwischen Sauerstoff und CO auf Pd(111) und Pd Nanopartikeln verschiedener Größen wurde als Funktion der Bedeckung studiert. Aufgrund der CO-O Wechselwirkung verringert sich die CO Adsorptionsenergie um ~40 kJ/mol auf sauerstoffvorbedeckten Pd(111) und Pd Nanopartikeln der Größen 2.9 nm und 3.4 nm. / To determine the correlation between the particle size and the reactivity of Pd nanoparticles, which are supported on iron oxide, the experimental method single crystal adsorption calorimetry has been combined with the preparation of model systems. Detailed structural information on the supported systems is available from previous structural studies. It was found that the oxygen adsorption energy is 69 kJ/mol higher on 3.4 nm sized Pd nanoparticles compared to Pd(111) due to a change of the local adsorption site from threefold hollow to low coordinated sites. A reduction of the particle size in the range 3.4 nm - 1.9 nm was found to lead to a decrease of the adsorption energy by 70 kJ/mol. A reduction of the adsorbate binding energy has also been found for CO. The difference in the Pd-O binding energy between the different systems decreases with increasing coverage. It was demonstrated that the number of adsorbed oxygen atoms on freshly prepared Pd nanoparticles at 300 K is three to four times higher than the amount of oxygen atoms which saturate the Pd surface sites. This observation can be explained with oxygen diffusion either into the nanoparticles or into the support. The interaction between oxygen and CO has been studied on Pd(111) and Pd nanoparticles of different sizes as a function of the coverage. Due to CO-O interaction, the CO adsorption energy is reduced by ~40 kJ/mol on oxygen precovered Pd(111) and Pd nanoparticles of 2.9 nm and 3.4 nm.

The selective infrared (IR) excitation of molecular vibrations is a powerful tool to control the photoreactivity prior to electronic excitation in the ultraviolet / visible (UV/Vis) light regime ("vibrationally mediated chemistry"). For adsorbates on surfaces it has been theoretically predicted that IR preexcitation will lead to higher UV/Vis photodesorption yields and larger cross sections for other photoreactions. In a recent experiment, IR-mediated desorption of molecular hydrogen from a Si(111) surface on which atomic hydrogen and deuterium were co-adsorbed was achieved, following a vibrational mechanism as indicated by the isotope-selectivity. In the present work, selective vibrational IR excitation of adsorbate molecules, treated as multi-dimensional oscillators on dissipative surfaces, has been simulated within the framework of open-system density matrix theory. Not only potential-mediated, inter-mode coupling poses an obstacle to selective excitation but also the coupling of the adsorbate ("system") modes to the electronic and phononic degrees of freedom of the surface ("bath") does. Vibrational relaxation thereby takes place, depending on the availabilty of energetically fitting electron-hole (e/h) pairs and/or phonons (lattice vibrations) in the surface, on time-scales ranging from milliseconds to several hundreds of femtoseconds. On metal surfaces, where the relaxation process of the adsorbate via the e/h pair mechanism dominates, vibrational lifetimes are usually shorter than on insulator or semiconductor surfaces, in the range of picoseconds, being also the timescale of the IR pulses used here. Further inhibiting factors for selectivity can be the harmonicity of a mode and weak dipole activities ("dark modes") rendering vibrational excitation with moderate field intensities difficult. In addition to simple analytical pulses, optimal control theory (OCT) has been employed here to generate a suitable electric field to populate the target state/mode maximally. The complex OCT fields were analyzed by Husimi transformation, resolving the control field in time and energy. The adsorbate/surface systems investigated were CO/Cu(100), H/Si(100) and 2H/Ru(0001). These systems proved to be suitable models to study the above mentioned effects. Further, effects of temperature, pure dephasing (elastic scattering processes), pulse duration and dimensionality (up to four degrees of freedom) were studied. It was possible to selectively excite single vibrational modes, often even state-selective. Special processes like hot-band excitation, vibrationally mediated desorption and the excitation of "dark modes" were simulated. Finally, a novel OCT algorithm in density matrix representation has been developed which allows for time-dependent target operators and thus enables to control the excitation mechanism instead of only the final state. The algorithm is based on a combination of global (iterative) and local (non-iterative) OCT schemes, such that short, globally controlled time-intervals are coupled locally in time. Its numerical performance and accuracy were tested and verified and it was successfully applied to stabilize a two-state linear-combination and to enforce a successive "ladder climbing" in a rather harmonic system, where monochromatic, analytical pulses simultaneously excited several states, leading to a population loss in the target state. / Die selektive Anregung von Molekülschwingungen mittels Infrarotlicht (IR) ist vorteilhaft, um die Wirkungsquerschnitte nachfolgender photochemischer oder photophysikalischer Prozesse zu steigern, welche durch Elektronenanregung mittels ultraviolettem (UV) bzw. sichtbarem (Vis) Licht ausgelöst werden. Für Adsorbatmoleküle auf Oberflächen wurden theoretische Vorhersagen getroffen, dass eine kombinierte (IR plus UV)-Strategie ("schwingungsvermittelte Chemie") die Ausbeute bei Photodesorption und anderen Photoreaktionen deutlich zu erhöhen vermag. Kürzlich wurde im Experiment gezeigt, dass eine rein IR-vermittelte Desorption möglich ist, welche über einen schwingungsangeregten Mechanismus erfolgt. Hierbei wurde molekularer Wasserstoff von einer Si(111)-Oberfläche desorbiert, an der atomarer Wasserstoff und atomares Deuterium gebunden waren. Eine thermische Anregung, die zum Bindungsbruch führt, konnte hierbei wegen der Isotopenselektivität ausgeschlossen werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die selektive IR-Schwingungsanregung von Adsorbaten, die als multidimensionale Oszillatoren auf dissipativen Oberflächen behandelt wurden, mit Hilfe der Dichtematrixtheorie für offene Systeme simuliert. Nicht nur die potentialvermittelte Kopplung zwischen den einzelnen Moden ist ein Hindernis für selektive Anregung, sondern auch die Kopplung der Moden des Adsorbats ("Systems") an elektronische und phononische Freiheitsgrade des Substrats ("Bades"). Die Schwingungsrelaxation verläuft hierbei auf Zeitskalen, die von Millisekunden bis hin zu wenigen hundert Femtosekunden reichen, je nach Verfügbarkeit energetisch geeigneter Elektron-Loch-Paar-Anregungen bzw. Phononen (Gitterschwingungen) in der Oberfläche. Auf Metalloberflächen, bei denen die Schwingungrelaxation des Adsorbats zumeist von einem Elektronen-Loch-Paar-Mechanismus dominiert wird, sind die Schwingungslebensdauern normalerweise kürzer als auf Isolator- oder Halbleiteroberflächen und betragen einige Picosekunden, ebenso wie die Zeitskala der hier gewählten IR-Pulse. Weitere Faktoren, die die selektive Anregung behindern können sind die Harmonizität einer Mode und die geringe Dipolaktivität sogenannter "dunkler Moden", die eine Anregung mit moderat intensiven Feldern erschweren. Zusätzlich zu einfachen analytischen Pulsen wurden Felder mittels Optimaler Kontrolltheorie (OCT) erzeugt, um eine(n) Zielzustand/-mode maximal zu populieren. Komplexe OCT Pulse wurden mit Hilfe der Husimi-Transformation analysiert, welche das Kontrollfeld im Zeit- und Energieraum aufzulösen vermag. Die in dieser Arbeit untersuchten Adsorbat/Oberflächen-Systeme waren CO/Cu(100), H/Si(100) und 2H/Ru(0001), die sich als passende Modelle erwiesen, um oben genannte Faktoren zu untersuchen. Desweiteren wurden die Auswirkungen von Temperatur, reiner Dephasierung (elastische Streuprozesse), Dauer des IR-Pulses und Systemdimensionalit"at (Behandlung von bis zu vier Freiheitsgraden) studiert. Einzelne Schwingungsmoden konnten angeregt werden, in vielen Fällen sogar zustandsselektiv. Spezielle Prozesse wie die Anregung "heißer Banden", Desorption via alleiniger Schwingungsanregung und die Anregung "dunkler Moden" wurden simuliert. Schließlich wurde ein neuer OCT-Algorithmus in Dichtematrixdarstellung entwickelt, der es erlaubt, zeitabhängige Zieloperatoren einzuführen, um nicht nur Kontrolle über den Endzustand einer Anregung, sondern auch über den Anregungsmechanismus zu erlangen. Der Algorithmus basiert auf einer Kombination von globaler (iterativer) und lokaler (nicht-iterativer) optimaler Kontrollschemata in der Art, dass kurze, global kontrollierte Intervalle zeitlich lokal miteinander gekoppelt werden. Nach numerischen Tests wurde der Algorithmus erfolgreich angewandt, um eine Linearkombination aus zwei Zuständen zu stabilisieren, sowie um eine schrittweise "Leiteranregung" in einem harmonischen System zu forcieren, bei dem monochromatische, analytische Pulse mehrere Zustände zugleich anregen und somit einen Populationsverlust im angestrebten Zielzustand zur Folge haben.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die experimentelle Untersuchung molekularer organischer Adsorbate mit Hilfe der Raster-Tunnel-Mikroskopie und -Spektroskopie im Ultrahochvakuum (UHV). Als Modellsubstanzen dienen Coronen, verschiedene Phthalo-cyanin-farbstoffe sowie je ein nematischer und ein discotischer Flüssigkristall. Mono- und Submonolagen dieser Substanzen werden hinsichtlich ihrer Adsorbatstruktur auf kristallographisch definierten Festkörper-oberflächen untersucht. Die dabei gewonnenen STM-Bilder zeigen die molekular und submolekular aufgelöste Struktur der Adsorbate. Die Untersuchung von Submonolagen zweier Metall-Phthalocyanine bei tiefen Temperaturen zeigt eine Bildung molekularer Ketten. Zur Ermittlung der elektronischen Eigenschaften der Moleküle werden molekulare Mono- und Submonolagen mit Hilfe der Raster-Tunnel-Spektroskopie (STS) bei Raumtemperatur und bei tiefen Temperaturen untersucht. Einige der Substanzen ermöglichen die Messung sehr stabiler lokaler Tunnelstromkennlinien. Die Ergebnisse der STS-Experimente an Coronen werden mit Resultaten von ab-initio-Rechnungen der Molekül-orbitalstruktur verglichen. / The work describes experimental investigations of molecular organic adsorbates in ultra high vacuum (UHV) by scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS). Coronene, several phthalocyanine dyes, and both a nematic and a discotic liquid crystal are chosen as model substances. Mono- and submonolayers of these substances adsorbed onto crystallographically well-defined surfaces are observed by STM with regard to their adsorbate structure. The STM images reveal the molecular and intramolecular structure of the adsorbates. Submonolayers of two metal phthalocyanines, observed at low temperatures, reveal the formation of molecular chains. With special regard to the electronic properties, such ultra thin films are investigated by scanning tunneling spectroscopy (STS), both at room temperature and at helium-cooled low temperatures. Some of the substances allow the collection of very stable local STS curves. The STS data coincide very well with the results of ab-initio calculations of their molecular orbital structure.

The high temperature adsorption of oxygen and the room temperature adsorption of CO on the Pt3Sn(111) and Pt3Sn(110) surfaces have been investigated by scanning tunneling microscopy (STM), low-energy electron diffraction (LEED), and Auger electron spectroscopy (AES). Beforehand the structure of the clean surfaces has been reviewed. After exposure to several 1000 L O2 at sample temperatures of about 750 K on both Pt3Sn(111) and (110) an ultra-thin Sn-O surface layer is formed. For the (111) X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) indicates that this layer does not yet exhibit oxide properties. STM topographs of the Sn-O phase show on both surfaces meshes of highly corrugated protrusions commensurate with the substrate. In the case of the (111), after additional thermal annealing with STM and LEED a (4 × 4) reconstruction is observed, that is due to a (2 × 2) supermesh of depressions in the p(2 × 2) mesh of protrusions. This structure is similar to findings reported for the oxidation of Sn/Pt(111) surface alloys. X-ray photoelectron diffraction (XPD) measurements in comparison with simulations yield a tentative model for the (111) Sn-O layer. On the Pt3Sn(110) surface after oxygen exposure a c(2 × 2) hexagonal grid of protrusions with regard to the (2 × 1) substrate is observed with STM and LEED. STM reveals the existence of domains due to two equivalent positions of the Sn-O layer relative to the substrate. The domain boundaries zigzag around the [1-10] direction. The Sn-O layer can on both surfaces be removed by thermal annealing to more than 1050 K. After CO adsorption at room temperature on both Pt3Sn(111) and (110) adsorbate structures are observable with the STM. On the (111) two different types of structures are found: ordered patches of protrusions and unordered clusters. These structures are seen only on (√3 × √3)R30° substrate regions, not on p(2 × 2) regions. Surprisingly on the (110) the CO molecules mostly arrange in dimers. For both (111) and (110) saturation coverage is already reached at about 30% of a closed monolayer. The CO can be desorbed by slightly heating the samples to about 400 K. STM topographs show that on both surfaces CO adsorbes in Pt sites, not on Sn. It was possible to observe the CO adsorption on the (110) directly live with the STM. The observed adsorption processes hint to a dimer formation mechanism where a preadsorbed monomer and a CO molecule form the gas phase or a precursor phase stick together. When on partially Sn-O phase covered Pt3Sn(111) and (110) surfaces CO is adsorbed at room temperature, the respective structures coexist. Neither is CO observed on the Sn-O phase nor does a reaction between CO and O occur.

In this research, the adsorptive capacities of kenaf in the forms of chopped whole stalk, chopped core, and bast materials were evaluated for the removal of lead, zinc, and toluene from contaminated synthetic waste streams using traditional adsorption isotherm techniques. The effect of surface oxidation using ozone was observed with respect to the adsorption of metals. Hydraulic conductivity experiments were conducted to evaluate the head loss associated with packing a column with kenaf fibers and to determine the suitability of its use in dynamic packed column systems. B.E.T. surface areas were determined as well. Under increasingly stringent regulatory requirements, even low level organic and inorganic contamination (under 100 ppm) in surface and ground waters must be treated. This study is part of an ongoing multi-year research effort aiming to develop a kenaf-based biosorptive process to improve treatment of contaminated aqueous streams at reduced costs and technical complexity.

In dieser Arbeit setzen wir ab-initio-Methoden zur Untersuchung einiger Oberflächensysteme und eines Bulksystems ein. Im Wesentlichen greifen wir hierbei auf die Dichtefunktionaltheorie (DFT) und die GW-Approximation (GWA) im Rahmen der Vielteilchenstörungstheorie zurück. Wir nutzen diese Methoden um die Adsorption von TMA auf der Rutil TiO2-Oberfläche zu untersuchen, optische Spektren von TiO2 zu berechnen und um die Adsorption von [7]-HCA auf der Calcit(10-14)-Oberfläche zu verstehen. Weiterhin beschäftigen wir uns intensiv mit PTCDA auf Ag(111), welches mit einer chemisch kontaktierten STM-Spitze manipuliert wird.

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