Beobachtung chemischer Reaktionen

Analyse einer Oberflächenreaktion mit weicher Röntgenstrahlung

Bildbeschreibung:
In situ Untersuchung einer Oberflächenreaktion mit Hilfe der Röntgenphotoemission. Bei der Röntgenphotoemission schlägt ein Röntgenphoton aus einem Adsorbatatom ein Rumpfelektron heraus, aus dessen gemessener kinetischer Energie seine ursprüngliche Bindungsenergie ermittelt wird. Die energieabhängige Intensitätsverteilung - im vorliegenden Fall die des Kohlenstoff-1s-Elektrons - gestattet Rückschlüsse auf den physikalischen und chemischen Zustand des untersuchten Atoms. Ethen ist auf einer Nickel(100)-Oberfläche bei tiefen Temperaturen überwiegend molekular adsorbiert, wie man einer detaillierten Analyse des untersten Spektrums entnehmen kann. Bei höheren Temperaturen wandelt sich das Ethen durch Abspaltung von H-Atomen sukzessive um, es dissoziiert. Die einzelnen Reaktionsschritte sind oben dargestellt und durch Ziffern den entsprechenden spektralen Strukturen zugeordnet. (R. Denecke u. H.-P. Steinrück, Universität Erlangen)

Das Adsorptions- und Reaktionsverhalten von Molekülen auf Oberflächen hängt ganz wesentlich von der Temperatur ab. In vielen Fällen müssen Reaktionsprozesse in einer adsorbierten Schicht durch Erwärmung aktiviert werden. Um die Vorgänge im Detail zu verstehen, genügt es meist nicht, nach abgeschlossener Reaktion die dabei entstandenen Produkte zu bestimmen, vielmehr muss man solche Reaktionen in situ beobachten, d. h. während ihres Ablaufs.

Ein Beispiel für eine solche in situ Untersuchung einer chemischen Reaktion mit Hilfe höchstaufgelöster Röntgen-Photoemission zeigt Abb. 1. Dabei handelt es sich um die Dissoziation oder chemische Aufspaltung von Ethen auf einer Ni(100)-Oberfläche als Funktion der Temperatur. Dazu wurde eine Monolage Ethen bei 90 K adsorbiert und dann die Temperatur langsam auf 450 K erhöht. In Abb. 1 ist eine Serie von Photoemissionsspektren dargestellt, die mittels hochintensiver Synchrotronstrahlung während des Heizens aufgezeichnet wurden. Durch die exzellente Energieauflösung (100 meV) war es möglich, aus der Struktur der Spektren direkte Rückschlüsse auf die Natur der chemischen Spezies zu ziehen, die sich während des Heizvorgangs auf der Oberfläche bilden. Zu Beginn des Experimentes ist die Oberfläche mit Ethen bedeckt (Strukturen 1). Beim Heizen von 90 K auf 450 K wird die Ausbildung neuer Zustände bei kleineren Bindungsenergien in den Spektren beobachtet (Strukturen 2-5). Diese entstehen durch eine sukzessive Abspaltung der Wasserstoffatome vom Ethenmolekül, wodurch es zur Bildung von sogenannten vinylischen, acetylenischen und acetylidischen Zwischenspezies kommt. Der Reaktionsablauf ist in Abb. 1 schematisch dargestellt.