Spatiotemporal pattern formation in a three-variable CO oxidation reaction model

Abstract

The spatiotemporal pattern formation is studied in the catalytic carbon monoxide oxidation reaction that takes into account the diffusion processes over the Pt(110) surface, which may contain structurally different areas. These areas are formed during CO-induced transition from a reconstructed phase with 1 × 2 geometry of the overlayer to a bulk-like (1 × 1) phase with square atomic arrangement. Despite the CO oxidation reaction being non-autocatalytic, we have shown that the analytic conditions of the existence of the Turing and the Hopf bifurcations can be satisfied in such systems. Thus, the system may lose its stability in two ways — either through the Hopf bifurcation leading to the formation of temporal patterns in the system or through the Turing bifurcation leading to the formation of regular spatial patterns. At a simultaneous implementation of both scenarios, spatiotemporal patterns for CO and oxygen coverages are obtained in the system.

Дослiджуються механiзми формування просторово-часових структур у каталiтичнiй реакцiї окислення CO з урахуванням процесiв дифузiї на неоднорiднiй поверхнi Pt(110), яка мiстить структурно вiдмiннi дiлянки, що утворюються пiд час СО-iндукованого переходу вiд реконструйованої 1×2 фази до об’ємної 1×1 фази. Незважаючи на те, що реакцiя окислення СО не є автокаталiтичною, ми показали, що аналiтичнi умови iснування бiфуркацiй Тюринга та Хопфа виконуються в таких системах. Тобто, система може втрачати стiйкiсть двома шляхами: або через бiфуркацiю Хопфа, що веде до утворення в системi часових структур, або через бiфуркацiю Тюринга, що призводить до формування регулярних просторових структур. При одночаснiй реалiзацiї обох сценарiїв у системi отримано просторово-часовi структури для величин покриття СО та кисню.