A high sensitivity reactor was developed to study slow reactions, such as ammonia synthesis over low surface area model catalysts at 1 bar and up to 550 °C. The reactor is connected to an ultra-high vacuum system with a transferable sample design, which allows for cleaning, preparation, and spectroscopic characterization of samples before and after the reaction without exposure to any contaminated environment, such as air. A quasi-closed small volume (250 µl) quartz glass reaction cell is integrated through a capillary with a quartz glass sniffer tube connected to a mass spectrometer. The capillary reduces the 1 bar pressure in the cell to 10−7 mbar in the sniffer tube and mass spectrometer chamber. A quartz fiber-guided laser is used to heat up the sample, and the temperature can be regulated by the proportional–integral–derivative controlled laser power output for fast reaction kinetics research. Proof of principle ammonia synthesis experiments in this reactor at 1 bar, 350–500 °C on Fe(111) single crystal and mass-selected Ru clusters supported on CeO2 thin film yield kinetic parameters that agree very well to those reported in the literature.

1.
D. W.
Goodman
,
Chem. Rev.
95
(
3
),
523
536
(
1995
).
2.
H. J.
Freund
,
M.
Baumer
,
J.
Libuda
,
T.
Risse
,
G.
Rupprechter
, and
S.
Shaikhutdinov
,
J. Catal.
216
(
1–2
),
223
235
(
2003
).
3.
G.
Rupprechter
and
C.
Weilach
,
J. Phys.: Condens. Matter
20
(
18
),
184019
(
2008
).
4.
H. J.
Freund
,
H.
Kuhlenbeck
,
J.
Libuda
,
G.
Rupprechter
,
M.
Baumer
, and
H.
Hamann
,
Top. Catal.
15
(
2/4
),
201
209
(
2001
).
5.
C.
Quiros
,
O.
Robach
,
H.
Isern
,
P.
Ordejon
, and
S.
Ferrer
,
Surf. Sci.
522
(
1–3
),
161
166
(
2003
).
6.
F.
Tao
,
S.
Dag
,
L. W.
Wang
,
Z.
Liu
,
D. R.
Butcher
,
H.
Bluhm
,
M.
Salmeron
, and
G. A.
Somorjai
,
Science
327
(
5967
),
850
853
(
2010
).
7.
F. F.
Tao
and
P. A.
Crozier
,
Chem. Rev.
116
(
6
),
3487
3539
(
2016
).
8.
Z.
Paszti
,
O.
Hakkel
,
T.
Keszthelyi
,
A.
Berko
,
N.
Balazs
,
I.
Bako
, and
L.
Guczi
,
Langmuir
26
(
21
),
16312
16324
(
2010
).
9.
K. F.
Peters
,
C. J.
Walker
,
P.
Steadman
,
O.
Robach
,
H.
Isern
, and
S.
Ferrer
,
Phys. Rev. Lett.
86
(
23
),
5325
5328
(
2001
).
10.
K. F.
Peters
,
P.
Steadman
,
H.
Isern
,
J.
Alvarez
, and
S.
Ferrer
,
Surf. Sci.
467
(
1–3
),
10
22
(
2000
).
11.
H.
Over
,
Y. D.
Kim
,
A. P.
Seitsonen
,
S.
Wendt
,
E.
Lundgren
,
M.
Schmid
,
P.
Varga
,
A.
Morgante
, and
G.
Ertl
,
Science
287
(
5457
),
1474
1476
(
2000
).
12.
B.
Eren
,
D.
Zherebetskyy
,
L. L.
Patera
,
C. H.
Wu
,
H.
Bluhm
,
C.
Africh
,
L. W.
Wang
,
G. A.
Somorjai
, and
M.
Salmeron
,
Science
351
(
6272
),
475
478
(
2016
).
13.
G. A.
Somorjai
and
J. Y.
Park
,
Chem. Soc. Rev.
37
(
10
),
2155
2162
(
2008
).
14.
M.
Jørgensen
and
H.
Gronbeck
,
ACS Catal.
7
(
8
),
5054
5061
(
2017
).
15.
B. L. M.
Hendriksen
and
J. W. M.
Frenken
,
Phys. Rev. Lett.
89
(
4
),
046101
(
2002
).
16.
B. L. M.
Hendriksen
,
S. C.
Bobaru
, and
J. W. M.
Frenken
,
Surf. Sci.
552
(
1–3
),
229
242
(
2004
).
17.
K. B.
Rider
,
K. S.
Hwang
,
M.
Salmeron
, and
G. A.
Somorjai
,
Phys. Rev. Lett.
86
(
19
),
4330
4333
(
2001
).
18.
D. W.
Blakely
,
E. I.
Kozak
,
B. A.
Sexton
, and
G. A.
Somorjai
,
J. Vac. Sci. Technol.
13
(
5
),
1091
1096
(
1976
).
19.
A. L.
Cabrera
,
N. D.
Spencer
,
E.
Kozak
,
P. W.
Davies
, and
G. A.
Somorjai
,
Rev. Sci. Instrum.
53
(
12
),
1888
1893
(
1982
).
20.
T. G.
Rucker
,
K.
Franck
,
D.
Colomb
,
M. A.
Logan
, and
G. A.
Somorjai
,
Rev. Sci. Instrum.
58
(
12
),
2292
2294
(
1987
).
21.
G. A.
Somorjai
and
C.
Aliaga
,
Langmuir
26
(
21
),
16190
16203
(
2010
).
22.
F.
Bozso
,
G.
Ertl
,
M.
Grunze
, and
M.
Weiss
,
J. Catal.
49
(
1
),
18
41
(
1977
).
23.
24.
F.
Bozso
,
G.
Ertl
, and
M.
Weiss
,
J. Catal.
50
(
3
),
519
529
(
1977
).
25.
G.
Ertl
,
S. B.
Lee
, and
M.
Weiss
,
Surf. Sci.
114
(
2–3
),
527
545
(
1982
).
26.
G.
Ertl
,
M.
Weiss
, and
S. B.
Lee
,
Chem. Phys. Lett.
60
(
3
),
391
394
(
1979
).
27.
Z.
Paal
,
G.
Ertl
, and
S. B.
Lee
,
Appl. Surf. Sci.
8
(
3
),
231
249
(
1981
).
28.
D. R.
Strongin
,
J.
Carrazza
,
S. R.
Bare
, and
G. A.
Somorjai
,
J. Catal.
103
(
1
),
213
215
(
1986
).
29.
G. A.
Somorjai
and
N.
Materer
,
Top. Catal.
1
(
3–4
),
215
231
(
1994
).
30.
N. D.
Spencer
,
R. C.
Schoonmaker
, and
G. A.
Somorjai
,
J. Catal.
74
(
1
),
129
135
(
1982
).
31.
D. R.
Strongin
and
G. A.
Somorjai
,
J. Catal.
109
(
1
),
51
60
(
1988
).
32.
S. R.
Bare
,
D. R.
Strongin
, and
G. A.
Somorjai
,
J. Phys. Chem.
90
(
20
),
4726
4729
(
1986
).
33.
D. R.
Strongin
and
G. A.
Somorjai
,
Catal. Lett.
1
(
1–3
),
61
66
(
1988
).
34.
D.
Strongin
,
S. R.
Bare
, and
G. A.
Somorjai
,
J. Catal.
103
(
2
),
289
301
(
1987
).
35.
D. R.
Strongin
and
G. A.
Somorjai
,
J. Catal.
118
(
1
),
99
110
(
1989
).
36.
K. E.
Keck
,
B.
Kasemo
, and
A.
Höglund
,
Rev. Sci. Instrum.
54
(
5
),
574
578
(
1983
).
37.
J.
Szanyi
and
D. W.
Goodman
,
Rev. Sci. Instrum.
64
(
8
),
2350
2352
(
1993
).
38.
A.
Ludviksson
,
J.
Yoshihara
, and
C. T.
Campbell
,
Rev. Sci. Instrum.
66
(
8
),
4370
4374
(
1995
).
39.
T. A.
Jachimowski
and
J.
Lauterbach
,
Rev. Sci. Instrum.
69
(
7
),
2757
2761
(
1998
).
40.
A. E.
Nelson
and
K. H.
Schulz
,
Rev. Sci. Instrum.
71
(
6
),
2471
2475
(
2000
).
41.
Z.
Zhao
,
T.
Diemant
,
T.
Haring
,
H.
Rauscher
, and
R. J.
Behm
,
Rev. Sci. Instrum.
76
(
12
),
123903
(
2005
).9
42.
F.
Morfin
and
L.
Piccolo
,
Rev. Sci. Instrum.
84
(
9
),
094101
(
2013
).
43.
S. A.
Tenney
,
K.
Xie
,
J. R.
Monnier
,
A.
Rodriguez
,
R. P.
Galhenage
,
A. S.
Duke
, and
D. A.
Chen
,
Rev. Sci. Instrum.
84
(
10
),
104101
(
2013
).
44.
T.
Haunold
,
C.
Rameshan
,
A. V.
Bukhtiyarov
, and
G.
Rupprechter
,
Rev. Sci. Instrum.
91
(
12
),
125101
(
2020
).
45.
J.
Baranyai
,
F.
Neuberger
,
T.
Schmidt
, and
R.
Schafer
,
J. Vac. Sci. Technol., A
39
(
6
),
063219
(
2021
).
46.
P.
Chai
,
Y.
Jin
,
G.
Sun
,
L.
Ding
,
L.
Wu
,
H.
Wang
,
C.
Fu
,
Z.
Wu
, and
W.
Huang
,
Rev. Sci. Instrum.
93
(
5
),
054105
(
2022
).
47.
S.
Dahl
,
P. A.
Taylor
,
E.
Tornqvist
, and
I.
Chorkendorff
,
J. Catal.
178
(
2
),
679
686
(
1998
).
48.
O.
Lytken
,
H. N.
Waltenburg
, and
I.
Chorkendorff
,
Surf. Sci.
543
(
1–3
),
207
218
(
2003
).
49.
Y.-R.
Zheng
,
J.
Vernieres
,
Z.
Wang
,
K.
Zhang
,
D.
Hochfilzer
,
K.
Krempl
,
T.-W.
Liao
,
F.
Presel
et al
,
Nat. Energy
7
(
1
),
55
64
(
2021
).
50.
B.
Kasemo
,
Rev. Sci. Instrum.
50
(
12
),
1602
(
1979
).
51.
J.
Qian
,
Q.
An
,
A.
Fortunelli
,
R. J.
Nielsen
, and
W. A.
Goddard
III
,
J. Am. Chem. Soc.
140
(
20
),
6288
6297
(
2018
).
52.
D. E.
Brown
,
T.
Edmonds
,
R. W.
Joyner
,
J. J.
McCarroll
, and
S. R.
Tennison
,
Catal. Lett.
144
(
4
),
545
552
(
2014
).
53.
C. J. H.
Jacobsen
,
S.
Dahl
,
P. L.
Hansen
,
E.
Törnqvist
,
L.
Jensen
,
H.
Topsøe
,
D. V.
Prip
,
P. B.
Møenshaug
, and
I.
Chorkendorff
,
J. Mol. Catal. A: Chem.
163
(
1–2
),
19
26
(
2000
).
54.
S.
Dahl
,
A.
Logadottir
,
R.
Egeberg
,
J.
Larsen
,
I.
Chorkendorff
,
E.
Törnqvist
, and
J. K.
Nørskov
,
Phys. Rev. Lett.
83
(
9
),
1814
(
1999
).
55.
S.
Dahl
,
E.
Törnqvist
, and
I.
Chorkendorff
,
J. Catal.
192
(
2
),
381
390
(
2000
).
56.
K.
Honkala
,
A.
Hellman
,
I.
Remediakis
,
A.
Logadottir
,
A.
Carlsson
,
S.
Dahl
,
C. H.
Christensen
, and
J. K.
Nørskov
,
Science
307
(
5709
),
555
558
(
2005
).
57.
B.
Lin
,
K.
Wei
,
J.
Lin
, and
J.
Ni
,
Catal. Commun.
39
,
14
19
(
2013
).
58.
Z.
Kowalczyk
,
S.
Jodzis
,
W.
Rarog
,
J.
Zieliński
,
J.
Pielaszek
, and
A.
Presz
,
Appl. Catal., A
184
(
1
),
95
102
(
1999
).
59.
C.
Liang
,
Z.
Wei
,
Q.
Xin
, and
C.
Li
,
Appl. Catal., A
208
(
1–2
),
193
201
(
2001
).
60.
J.
Feng
,
L.
Liu
,
X.
Ju
,
M.
Wang
,
X.
Zhang
,
J.
Wang
, and
P.
Chen
,
ACS Sustainable Chem. Eng.
10
(
31
),
10181
10191
(
2022
).
61.
L.
Li
,
Y.-F.
Jiang
,
T.
Zhang
,
H.
Cai
,
Y.
Zhou
,
B.
Lin
,
X.
Lin
,
Y.
Zheng
,
L.
Zheng
, and
X.
Wang
,
Chem
8
(
3
),
749
768
(
2022
).
62.
J.
Li
,
W.
Wang
,
W.
Chen
,
Q.
Gong
,
J.
Luo
,
R.
Lin
,
H.
Xin
,
H.
Zhang
,
D.
Wang
, and
Q.
Peng
,
Nano Res.
11
,
4774
4785
(
2018
).
63.
Y.
Niwa
and
K.-i.
Aika
,
Chem. Lett.
25
(
1
),
3
4
(
1996
).
64.
Y.
Niwa
and
K.-i.
Aika
,
J. Catal.
162
(
1
),
138
142
(
1996
).
65.
Z.
Ma
,
S.
Zhao
,
X.
Pei
,
X.
Xiong
, and
B.
Hu
,
Catal. Sci. Technol.
7
(
1
),
191
199
(
2017
).
66.
B.
Lin
,
B.
Fang
,
Y.
Wu
,
C.
Li
,
J.
Ni
,
X.
Wang
,
J.
Lin
,
C.-T.
Au
, and
L.
Jiang
,
ACS Catal.
11
(
3
),
1331
1339
(
2021
).
67.
S. E.
Sivan
,
K. H.
Kang
,
S. J.
Han
,
O.
Francis Ngome Okello
,
S. Y.
Choi
,
V.
Sudheeshkumar
,
R. W. J.
Scott
,
H. J.
Chae
,
S.
Park
, and
U. H.
Lee
,
J. Catal.
408
,
316
328
(
2022
).
68.
K.
Sato
,
K.
Imamura
,
Y.
Kawano
,
S.-i.
Miyahara
,
T.
Yamamoto
,
S.
Matsumura
, and
K.
Nagaoka
,
Chem. Sci.
8
(
1
),
674
679
(
2017
).
69.
X.
Wang
,
X.
Peng
,
Y.
Zhang
,
J.
Ni
,
C.-t.
Au
, and
L.
Jiang
,
Inorg. Chem. Front.
6
(
2
),
396
406
(
2019
).
70.
K.
Aika
,
M.
Kumasaka
,
T.
Oma
,
O.
Kato
,
H.
Matsuda
,
N.
Watanabe
,
K.
Yamazaki
,
A.
Ozaki
, and
T.
Onishi
,
Appl. Catal.
28
,
57
68
(
1986
).
71.
K.
Aika
,
T.
Takano
, and
S.
Murata
,
J. Catal.
136
(
1
),
126
140
(
1992
).
72.
F.
Rosowski
,
A.
Hornung
,
O.
Hinrichsen
,
D.
Herein
,
M.
Muhler
, and
G.
Ertl
,
Appl. Catal., A
151
(
2
),
443
460
(
1997
).
You do not currently have access to this content.