Title (eng)
Dynamic processes on Rhodium surfaces
Parallel title (deu)
Dynamische Prozesse auf Rhodium-Oberflächen
Author
Thomas Franz
Advisor
Georg Kresse
Assessor
Christoph Dellago
Josef Redinger
Abstract (deu)
Im Rahmen dieser Dissertation werden die statischen und dynamischen Aspekte der Wechselwirkungen zwischen Metalloberflächen und einfachen Adsorbaten untersucht, wobei mehrere komplementäre Methoden verwendet werden. Die Simulationen werden auf Basis der Dichtefunktionaltheorie mit Hilfe des Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) durchgeführt.
Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir die Struktur eines NiO Oberflächenoxids auf Rh(111). Mittels Simulated Annealing wird die komplexe Struktur bestimmt, die durch STM-Simulationen im Tersoff-Hamann-Ansatz bestätigt wird. Die thermodynamische Stabilität dieser Struktur wird durch Berechnung der Gibbsschen freien Energie verschiedener konkurrierender Phasen ermittelt.
Im darauf folgenden Teil beschäftigen wir uns mit der katalytischen Aktivität von quasi-eindimensionalen Nickel-Oxid-Nanostreifen, die an den Stufen der Rh(553)-Oberfläche erzeugt werden können, bezüglich der Oxidation von Kohlenmonoxid und der anschließenden Desorption von Kohlendioxid. Wir verwenden die Nudged Elastic Band-Methode, die Dimer-Methode, sowie Quasi-Newton-Algorithmen, um Reaktionspfade zu bestimmen. Weiters werden Präfaktoren und Reaktionsraten im Rahmen der Transition State Theory berechnet.
Das nächste Kapitel widmet sich der Implementierung von Kinetic Monte Carlo-Algorithmen. Wir berechnen Temperatur-programmierte Desorptionsspektren von Sauerstoff auf Rh(111) und simulieren damit die Zeitentwicklung eines Systems mit vielen konkurrierenden Reaktionen auf einer makroskopischen Zeitskala. Ein Gittergasmodell wird verwendet, wobei mit Hilfe von Cross Validation ein effektiver Hamilton-Operator bestimmt wird.
Im letzten Teil dieser Dissertation wird die explizite Berücksichtigung von entropischen Effekten für Oberflächenreaktionen behandelt.
Wir verwenden thermodynamische Integration von Gradienten der freien Energie, um Freie-Energie-Differenzen für die Diffusion und die Desorption von Sauerstoff auf Rh(111) zu berechnen. Die Gradienten werden dabei mittels Molekulardynamik mit Zwangsbedingungen ermittelt.
Abstract (eng)
In the framework of this thesis, the static and dynamic aspects of the interaction of metallic surfaces with simple adsorbates are investigated applying density functional theory calculations using the Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP).
In the first part of the thesis, we investigate the structure of a NiO surface oxide formed on Rh(111). Simulated annealing approaches allow to determine the complex structure, which is verified by STM simulations performed in the Tersoff-Hamann approximation. The thermodynamic stability of the structure is evaluated by calculating the
Gibbs free energies of several competing phases.
In the following part, we investigate the catalytic activity of quasi-one-dimensional nickel oxide nanowires, which can be grown at the step edges of the Rh(553) surface, with respect to the oxidation of carbon monoxide and the subsequent desorption of carbon dioxide. We apply the nudged elastic band method, the dimer method, and quasi-Newton algorithms in order to identify reaction paths. Furthermore, we calculate prefactors and reaction rate constants in the framework of transition state theory.
The next chapter is dedicated to the implementation of kinetic Monte Carlo algorithms. We evaluate temperature programmed desorption spectra of oxygen on Rh(111). A multi-site lattice gas model is used, and cross validation is applied to construct an effective Hamiltonian for the lateral interactions.
In the last part of the thesis, we use thermodynamic integration of free energy gradients to compute the free energy differences of diffusion and of desorption of oxygen on Rh(111), where the gradients are determined via constrained Molecular Dynamics simulations.
Keywords (eng)
Computer simulationsDensity functional theorySurface oxidesKinetic Monte CarloFree energies
Keywords (deu)
ComputersimulationenDichtefunktionaltheorieOberflächenoxideKinetic Monte CarloFreie Energien
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1302968
rdau:P60550 (deu)
150 S.
Number of pages
174
Association (deu)
Title (eng)
Dynamic processes on Rhodium surfaces
Parallel title (deu)
Dynamische Prozesse auf Rhodium-Oberflächen
Author
Thomas Franz
Abstract (deu)
Im Rahmen dieser Dissertation werden die statischen und dynamischen Aspekte der Wechselwirkungen zwischen Metalloberflächen und einfachen Adsorbaten untersucht, wobei mehrere komplementäre Methoden verwendet werden. Die Simulationen werden auf Basis der Dichtefunktionaltheorie mit Hilfe des Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) durchgeführt.
Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir die Struktur eines NiO Oberflächenoxids auf Rh(111). Mittels Simulated Annealing wird die komplexe Struktur bestimmt, die durch STM-Simulationen im Tersoff-Hamann-Ansatz bestätigt wird. Die thermodynamische Stabilität dieser Struktur wird durch Berechnung der Gibbsschen freien Energie verschiedener konkurrierender Phasen ermittelt.
Im darauf folgenden Teil beschäftigen wir uns mit der katalytischen Aktivität von quasi-eindimensionalen Nickel-Oxid-Nanostreifen, die an den Stufen der Rh(553)-Oberfläche erzeugt werden können, bezüglich der Oxidation von Kohlenmonoxid und der anschließenden Desorption von Kohlendioxid. Wir verwenden die Nudged Elastic Band-Methode, die Dimer-Methode, sowie Quasi-Newton-Algorithmen, um Reaktionspfade zu bestimmen. Weiters werden Präfaktoren und Reaktionsraten im Rahmen der Transition State Theory berechnet.
Das nächste Kapitel widmet sich der Implementierung von Kinetic Monte Carlo-Algorithmen. Wir berechnen Temperatur-programmierte Desorptionsspektren von Sauerstoff auf Rh(111) und simulieren damit die Zeitentwicklung eines Systems mit vielen konkurrierenden Reaktionen auf einer makroskopischen Zeitskala. Ein Gittergasmodell wird verwendet, wobei mit Hilfe von Cross Validation ein effektiver Hamilton-Operator bestimmt wird.
Im letzten Teil dieser Dissertation wird die explizite Berücksichtigung von entropischen Effekten für Oberflächenreaktionen behandelt.
Wir verwenden thermodynamische Integration von Gradienten der freien Energie, um Freie-Energie-Differenzen für die Diffusion und die Desorption von Sauerstoff auf Rh(111) zu berechnen. Die Gradienten werden dabei mittels Molekulardynamik mit Zwangsbedingungen ermittelt.
Abstract (eng)
In the framework of this thesis, the static and dynamic aspects of the interaction of metallic surfaces with simple adsorbates are investigated applying density functional theory calculations using the Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP).
In the first part of the thesis, we investigate the structure of a NiO surface oxide formed on Rh(111). Simulated annealing approaches allow to determine the complex structure, which is verified by STM simulations performed in the Tersoff-Hamann approximation. The thermodynamic stability of the structure is evaluated by calculating the
Gibbs free energies of several competing phases.
In the following part, we investigate the catalytic activity of quasi-one-dimensional nickel oxide nanowires, which can be grown at the step edges of the Rh(553) surface, with respect to the oxidation of carbon monoxide and the subsequent desorption of carbon dioxide. We apply the nudged elastic band method, the dimer method, and quasi-Newton algorithms in order to identify reaction paths. Furthermore, we calculate prefactors and reaction rate constants in the framework of transition state theory.
The next chapter is dedicated to the implementation of kinetic Monte Carlo algorithms. We evaluate temperature programmed desorption spectra of oxygen on Rh(111). A multi-site lattice gas model is used, and cross validation is applied to construct an effective Hamiltonian for the lateral interactions.
In the last part of the thesis, we use thermodynamic integration of free energy gradients to compute the free energy differences of diffusion and of desorption of oxygen on Rh(111), where the gradients are determined via constrained Molecular Dynamics simulations.
Keywords (eng)
Computer simulationsDensity functional theorySurface oxidesKinetic Monte CarloFree energies
Keywords (deu)
ComputersimulationenDichtefunktionaltheorieOberflächenoxideKinetic Monte CarloFreie Energien
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1302969
Number of pages
174
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