Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung von Ca-dotierten PrMnO3 (PCMO) als Katalysator für die (photo)elektrochemische Wasseroxidation. Im Fokus der Untersuchungen stehen die folgenden elementaren Schritte des Gesamtprozesses: i) Die optische Absorption in PCMO wird zunächst als Funktion der Ca-Dotierung und der Temperatur untersucht mit dem Ziel, den Einfluß von Korrelationseffekten auf die optischen Eigenschaften zu verstehen. Die präsentierten Ergebnisse zeigen, dass die Bildung kleiner Polaronen im PCMO als Folge starker Korrelationswechselwirkungen in breites Absorptionsmaximum im Nah-Infrarot bis sichtbarem Energiebereich verursacht, welches im Rahmen eines Photonen-assistierten Polaronenhüpfprozesses und einer Anregung zwischen Jahn-Teller-aufgespaltenen Zuständen diskutiert wird. Weiterhin legt die Dotierungsabhängigkeit der Spektren nahe, dass O 2p und Mn 3d Hybridzustände die Fermienergie-nahe elektronische Struktur bestimmen, wobei der relative Anteil von O 2p mit der Ca-Dotierung variiert. ii) Der aktive Zustand von PCMO in Kontakt mit Wasser bzw. Wasserdampf wird mit Hilfe von Zyklovoltammetrie und in situ ‚environmental‘ Transmissionselektronenmikroskopie (ETEM) für verschiedene Dotierlevels untersucht. Die Ergebnisse beider Methoden ergeben, dass die katalysierte Wasseroxidation gemäß $2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{O}_2 + 4 \text{H}^+$ mit einem Korrosionsprozess in Form einer Pr/Ca Verarmung und Amorphisierung der PCMO-Elektrode konkurriert. Die höchste katalytische Aktivität sowie Korrosionsstabilität werden im mittleren Dotierungsbereich gefunden. Auf Basis der in situ ETEM Ergebnisse wird außerdem gezeigt, dass durch Zufügen von Monosilan zu Wasserdampf-basierten Elektrolyten im ETEM eine Elektronenstrahl-induzierte Wasseroxidation an aktiven PCMO Oberflächen über die Sekundärreaktion $\text{SiH}_4+2\text{O}_2\rightarrow\text{SiO}_2+2\text{H}_2\text{O}$ nachgewiesen werden kann. Elektronenenergieverlustspektroskopie von PCMO vor und nach der Reaktion in Wasserdampf ergeben, dass der aktive Zustand von PCMO die Bildung und Ausheilung von Sauerstoffleerstellen im Rahmen einer Interkalation des bei der Wasseroxidation freiwerdenden Sauerstoffs beinhaltet. Die Rolle des Elektronenstrahls als Triebkraft für die Wasseroxidation im ETEM wird mithilfe von Elektronenholographie und elektrischen Experimenten sowie theoretischer Modellierung basierend auf Sekundärelektronenemissionen als ein positives Elektronenstrahl-induziertes elektrisches Potential identifiziert.

abstract: In-situ environmental transmission electron microscopy (ETEM) is a powerful tool for following the evolution of supported metal nanoparticles under different reacting gas conditions at elevated temperatures. The ability to observe the events in real time under reacting gas conditions can provide significant information on the fundamental processes taking place in catalytic materials, from which the performance of the catalyst can be understood. The first part of this dissertation presents the application of in-situ ETEM studies in developing structure-activity relationship in supported metal nanoparticles. In-situ ETEM studies on nanostructures in parallel with ex-situ reactor studies of conversions and selectivities were performed for partial oxidation of methane (POM) to syngas (CO+H2) on Ni/SiO2, Ru/SiO2 and NiRu/SiO2 catalysts. During POM, the gas composition varies along the catalyst bed with increasing temperature. It is important to consider these variations in gas composition in order to design experiments for in-situ ETEM. In-situ ETEM experiments were performed under three different reacting gas conditions. First in the presence of H2, this represents the state of the fresh catalyst for the catalytic reaction. Later in the presence of CH4 and O2 in 2:1 ratio, this is the composition of the reacting gases for the POM reaction and this composition acts as an oxidizing environment. Finally in the presence of CH4, this is the reducing gas. Oxidation and reduction behavior of Ni, Ru and NiRu nanoparticles were followed in an in-situ ETEM under reacting gas conditions and the observations were correlated with the performance of the catalyst for POM. The later part of the dissertation presents a technique for determining the gas compositional analysis inside the in-situ ETEM using electron energy-loss spectroscopy. Techniques were developed to identify the gas composition using both inner-shell and low-loss spectroscopy of EELS. Using EELS, an "operando TEM" technique was successfully developed for detecting the gas phase catalysis inside the ETEM. Overall this research demonstrates the importance of in-situ ETEM studies in understanding the structure-activity relationship in supported-metal catalysts for heterogeneous catalysis application. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Materials Science and Engineering 2011