Die vorliegende Arbeit behandelt die Synthese und die Eigenschaften von fluordotierten Aluminium(hydr)oxiden. Dazu wurde zunächst ein Syntheseprotokoll erarbeitet, das die kontrollierte und reproduzierbare Sol-Gel Synthese von F-Al(OH)3-Phasen ermöglichte. Auf Grundlage dieser Syntheseroute konnten Parameter wie der Fluorgehalt der Phasen kontrolliert und der Einfluss auf strukturelle Eigenschaften systematisch untersucht werden. Die Charakterisierung der amorphen Phasen wurde hauptsächlich über MAS NMR spektroskopische Methoden vorgenommen. Herausragendes Strukturmerkmal der Proben ist die Anwesenheit von AlV- und AlIV-Sites, die charakteristisch für das hohe Maß an struktureller Störung in den Proben sind. Über die Untersuchung der thermischen Eigenschaften konnte gezeigt werden, dass es schon bei Temperaturen von unterhalb 80 °C zur anteiligen Dehydroxylierung der Phasen kommt und mit einem starken Anstieg der unterkoordinierten AlV- und AlIV-Spezies verknüpft ist. Bei etwa 300 °C sind die Phasen weitestgehend dehydratisiert, allerdings kommt es bei Kontakt mit Luft zu einer Reaktion mit atmosphärischen H2O Molekülen. Bei ausreichend langer Zeit und hoher Luftfeuchtigkeit führt dies zu einer vollständigen Rehydratisierung der Probe, die wiederum mit dem Rückgang der AlV- und AlIV-Spezies verknüpft ist. Kalziniert man die F-Al(OH)3-Phasen im Vakuum bei 700 °C, erhält man ein schwach kristallines, übergangsaluminiumoxidähnliches F-Al2O3. Das so hergestellte F-Al2O3 besitzt kontrollierbare Mengen Fluorid und ist katalytisch aktiv. Der Einfluss von Fluorid auf die katalytische Aktivität und die Oberflächenbeschaffenheit der Proben wurde umfassend untersucht und über zwei unterschiedliche Testreaktion evaluiert. In diesem Zuge konnte auch die Bildung von Brønsted-Zentren auf der Oberfläche gesteuert und ihr Bildungsmechanismus besser verstanden werden. Ein besseres Verständnis zur katalytischen Lewis-Aktivität der Probe konnte durch die direkte Beobachtung der aktiven Oberfläche erreicht werden. Hier wurden reaktive und koordinativ ungesättigte AlV- und AlIV-Sites beobachtet, die durch den Kontakt mit Luft zerstört werden und dadurch ihre katalytische Aktivität verlieren. / The present work deals with the synthesis and properties of fluorine-doped aluminum (hydr)oxides. For this purpose, a synthesis protocol was first developed, which allowed the controlled and reproducible synthesis of F-Al(OH)3 phases. Based on this sol-gel route, parameters such as the fluorine content of the phases could be controlled and the influence on structural properties could be systematically investigated. The amorphous F-Al(OH)3 samples show a number of interesting properties. The characterization was carried out mainly by MAS NMR spectroscopic methods. Outstanding structural feature of the samples is the presence of AlV- and AlIV-sites, which are characteristic of the high degree of structural disorder in the samples. The investigation of the thermal properties has shown that even at temperatures below 80 °C there is a proportional dehydroxylation of the phases, which is associated with a strong increase of the undercoordinated AlV- and AlIV-species. At around 300 °C, the phases are largely dehydrated, but contact with air causes a reaction with atmospheric H2O molecules. With sufficient time and high humidity, this leads to complete rehydration of the sample, which in turn is associated with the decline of the AlV- and AlIV-species. If the F-Al(OH)3 phases are calcined in vacuum at 700 °C, a weakly crystalline transition alumina-like F-Al2O3 is obtained. Thus, the F-Al2O3 produced has controllable amounts of fluoride and is catalytically active. The influence of fluoride on the catalytic activity and surface finish of the samples was extensively studied and evaluated by two different test reactions. In this context, the formation of Brønsted centers on the surface could be controlled which also led to a better understanding of the mechanism of the formation. A better understanding of the catalytic Lewis activity of the sample could be achieved by direct observation of the active surface. Here, reactive and coordinatively unsaturated AlV- and AlIV-sites were observed which were destroyed by contact with air, thereby losing their catalytic activity.

Die Umsetzung von alpha,beta-ungesättigten Aldehyden und Ketonen mit Wasserstoff über Pd-Modellkatalysatoren wurde anhand von Molekularstrahlmethoden, kombiniert mit Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRAS), Quadrupol-Massenspektrometrie (QMS) und Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS), unter wohldefinierten Ultrahochvakuumbedingungen untersucht. Das Ziel dieser Arbeit war es, ein atomistisches Verständnis der strukturellen Faktoren zu gewinnen, die die Aktivität und Selektivität eines Pd(111)-Einkristalls und Eisenoxid-geträgerter Pd-Nanopartikel für die Hydrierung der C=C- und C=O-Bindungen bestimmen. Exemplarisch für diese Art von Kohlenwasserstoffen wurden das Aldehyd Acrolein und das Keton Isophoron gewählt. Die NEXAFS- und IRAS-Studien zeigten, dass Isophoron bei niedrigen Bedeckungen auf Pd(111) in einer flachliegenden Geometrie adsorbiert wird. Die Neigungswinkel der C=C- und C=O-Bindungen in Bezug auf die Pd(111)-Ebene nehmen mit zunehmender Oberflächenbedeckung zu. Auf reinem Pd(111) ist die Neigung der C=C-Bindung stärker ausgeprägt, was auf eine Verzerrung des konjugierten pi-Systems hindeutet. Bei Anwesenheit von Wasserstoff wird eine schwächere Bindung von Isophoron an Pd beobachtet. Die selektive partielle Hydrierung über einer Pd(111)-Oberfläche und geträgerten Pd-Nanopartikeln unterschiedlicher Größen wurde unter Verwendung von Acrolein untersucht. Molekularstrahlmethoden wurden mit IRAS- und QMS-Messungen kombiniert, um gleichzeitig die Bildung von Adsorbaten auf der Oberfläche und die der Produkte in der Gasphase verfolgen zu können. Über einem Pd(111)-Kristall wird Propenol mit nahezu 100% Selektivität durch Hydrierung der C=O-Gruppe gebildet, während über Pd-Partikeln Propanal durch selektive Hydrierung der C=C-Gruppe erzeugt wird. IRAS-Untersuchungen zeigten, dass die Propenol-Bildung eine Modifikation der Pd(111)-Oberfläche mit einer dichten Oxopropyl-Monolage voraussetzt. / The conversion of alpha,beta-unsaturated aldehydes and ketones with hydrogen over model Pd catalysts was investigated using molecular beam techniques combined with infrared reflection-absorption spectroscopy (IRAS), quadrupole mass spectrometry (QMS), and near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) studies under well-defined ultra-high vacuum conditions. The aim of this work was to gain atomistic-level understanding of structural factors governing the selectivity and activity of a Pd(111) single crystal and iron-oxide-supported Pd nanoparticles for C=C and C=O bond hydrogenation. The ketone isophorone and the aldehyde acrolein were chosen as prototypical alpha,beta-unsaturated carbonyl compounds. NEXAFS and IRAS studies showed that isophorone is adsorbed on Pd(111) in a flat-lying geometry at low coverages. With increasing coverage, both C=C and C=O bonds tilt with respect to the surface plane. The tilting is more pronounced for the C=C bond on pristine Pd(111), indicating a strong distortion of the conjugated pi system upon interaction with Pd. Co-adsorbed hydrogen leads to a conservation of the in-plane geometry of the conjugated pi system, pointing to a much weaker interaction of isophorone with Pd in the presence of hydrogen. The selective partial hydrogenation over a Pd(111) surface and supported Pd nanoparticles with different particle sizes was investigated using acrolein. Molecular beam techniques were combined with IRAS and QMS measurements in order to simultaneously monitor the evolution of surface species and the formation of the final gas-phase products. Over a Pd(111) single crystal, acrolein is hydrogenated at the C=O bond to form propenol with nearly 100% selectivity, while over supported Pd particles, selective conversion of the C=C bond to propanal occurs. IRAS investigations showed that a distinct modification of the Pd(111) surface with a dense overlayer of an oxopropyl species is required for propenol formation.

Unter Verwendung von Dichtefunktionaltheorie werden die katalytischen Eigenschaften von Cerdioxidoberflächen mit verschiedenen Terminierungen untersucht. Cerdioxid wird auch als Trägermaterial in der heterogenen Katalyse eingesetzt, um Aktivität, Selektivität und Stabilität der aktiven Komponente zu erhöhen. In dieser Arbeit werden geträgerte Vanadiumoxidcluster diskutiert. Dabei wird die oxidative Dehydrierung von Methanol als Modellreaktion zur Aktivierung von C-H-Bindungen genutzt. Ceroxidpartikel werden oft in wässriger Lösung synthetisiert. Damit hängt die Form der Nanokristallite direkt von der relativen Stabilität der unterschiedlichen Terminierungen in der Gegenwart von Wasser ab. Außerdem ist Wasser an zahlreichen Reaktionen entweder als Produkt, Edukt oder Lösungsmittel beteiligt. Aus diesem Grund werden auch die Wasser-Oberflächenwechselwirkungen untersucht. Des Weiteren wird die Genauigkeit von drei verschiedenen Funktionalen (B3LYP, HSE und PBE+U) durch den Vergleich mit experimentellen Daten evaluiert. Diese beinhalten Barrieren, die mittels Temperatur-programmierter Desorptionsspektroskopie erhalten wurden, und Schwingungsspektren. / Density functional theory is applied to study the catalytic properties of ceria surfaces with different terminations. Ceria is also used as a support material in heterogeneous catalysis to improve activity, selectivity, and stability of the active component. In this work, supported vanadia clusters are discussed. The oxidative dehydrogenation of methanol is used as a model reaction for C–H bond activation. Ceria catalysts are often prepared in aqueous solution. As a result, the shape of ceria nanocrystallites depends on the relative stability of the different surface terminations in the presence of water. Furthermore, many reactions involve water either as a product, as a reagent, or as a solvent. Hence, water–surface interactions are studied as well. Furthermore, the accuracy of three different functionals (B3LYP, HSE, and PBE+U) is assessed by comparison to experimental data such as barriers obtained via temperature-programmed desorption and infrared spectra.

Hauptaufgabe dieser Promotionsarbeit war es, eine neue Sol-Gel basierte Syntheseroute zur Darstellung edelmetallbeladener (Pd, Pt, Ag und Au) Aluminiumhydroxidfluoride zu entwickeln. Derartige Katalysatoren besitzen sowohl Lewis- als auch Brønsted-saure, sowie hydrogenierungsaktive Zentren. Solche multifunktionellen Katalysatoren können für mehrstufige Umsetzungen von Substraten in Eintopfverfahren eingesetzt werden. Das Potential der dargestellten Katalysatoren wurde in der zweistufigen Umsetzung von Citronellal zu Mentholen und der dreistufigen Reaktion von Citral zu Mentholen gezeigt. / The main aim of this thesis was to develop a new sol gel based synthesis route to noble metal loaded (Pd, Pt, Ag and Au) aluminium hydroxide fluorides. These catalysts provide Lewis as well as Brønsted acidity and hydrogenation ability. Those multifunctional catalysts can be used for multi step conversions of substrates performed in a one pot process. The potential of the synthesized catalysts was shown in the two step conversion of citronellal to menthols and in the three step conversion of citral to menthols.

In dieser Arbeit wurde ein Modell-Katalysator-Ansatz angewandt um Mischoxide mit Molybdän und Titan zu untersuchen. Die Schichten wurden auf TiO2(110) Einkristallen durch Verdampfen der Metalle in einer O2 Atmosphäre und in UHV und Nachbehandlung der Filme vorbereitet. Verschiedene Präparationen wurden in der Studie untersucht und diese werden in sechs Kategorien dargestellt. Wenn Mo und Ti in O2 gemeinsam aufgedampft wurden, wurde das meiste Mo an der Oberfläche abgeschieden mit einer nur geringen Mo-Konzentration in tieferen Schichten. Eine Mischung von Mo in TiO2 war sehr begrenzt, und die stimmt mit dem Phasendiagramm MoO2 und TiO2 überein. Mo6+ und Mo4+ sind die dominierenden Oxidationsstufen in den meisten der Schichten, wobei Mo6+ stets näher an der Oberfläche war als Mo4+. Schichten, in denen Mo vollständig in TiO2 gelöst ist, konnten durch Abscheidung von Metallen in UHV und Post-Oxidation der Filme erstellt werden. Im Inneren des TiO2 Gitters hat Mo die Oxidationsstufe 4+. Aufdampfen von Mo in O2 bei Raumtemperatur und anschließendes Tempern in UHV führte zur Bildung zweier Arten von Merkmalen in den STM-Bildern. Diese waren im UHV stabil bis mindestens 1000 K. Die Schichten mit hoher Mo-Konzentrationen erschienen uneinheitlich in den STM-Bildern aber sie zeigte das TiO2(110)-(1x1) LEED-Muster. Der Anstieg in der Mo-Konzentration führte zur Blockierung der Überbrückung Sauerstoffleerstellen (BOVs), was durch STM und Wasser-TPD nachgewiesen wurde. Die Reaktivitäten der Schichten wurden mit Methanol- und Ethanol-TPD getestet. Eine unerwartete Formaldehyd/Methanbildung bei hohen Temperaturen (~650 K) wurde bei der Methanol-TPD von reinem TiO2(110) beobachtet und mit BOVs in Verbindung gebracht. Der Anstieg der Mo-Konzentration unterdrückte diesen Effekt sowie die Ethylenbildung (~600 K) beim Durchführen von Ethanol-TPD. Sowohl in Ethanol als auch Methanol-TPD wurden neue Reaktionswege zu Ethylen und Methan-Bildung bei ~500 K beobachtet. / In this work, a model-catalyst approach has been taken to study oxide mixtures containing molybdenum and titanium. The layers were prepared on TiO2(110) single crystals by evaporating the metals in an O2 atmosphere or in UHV and post treating the deposited material. Different preparation procedures were employed in the study and these are presented in six categories. When Mo and Ti were co-deposited in O2, most of the molybdenum stayed at the surface with only a small Mo concentration in deeper layers. Mixing of Mo into TiO2 was very limited, consistent with the phase diagram of MoO2 and TiO2. Mo6+ and Mo4+ were the dominant oxidation states in most of the layers and Mo6+ was always nearer to the surface than Mo4+. Layers where Mo was completely mixed into TiO2 could be prepared by depositing metals in UHV and post-oxidizing the deposited material. Inside the TiO2 lattice, Mo had an oxidation state of 4+. Depositing Mo in O2 at room temperature and post annealing in UHV led to the formation of two types of features in the STM images. These features were stable in UHV up to at least 1000 K. The layers with high Mo concentrations appeared patchy in the STM images but they still exhibited the TiO2(110)-(1x1) LEED pattern. The increase in Mo concentration led to the blocking of the bridging oxygen vacancies (BOVs) as evidenced by STM and water TPD. The reactivities of the layers were tested by methanol and ethanol TPD. An unprecedented high temperature (~650 K) formaldehyde/methane formation channel was observed in the methanol TPD of clean TiO2(110) and was associated with BOVs. The increase in the Mo concentration led to the vanishing of this channel as well as the ethylene formation channel (~600 K) in the case of ethanol TPD. In both ethanol and methanol TPD, new reaction channels towards ethylene and methane formation at ~500 K appeared.