稀土金屬釤與鈰在Al2O3表面吸附和氧化的光電子能譜研究.pdf

1、稀土金屬及其化合物由于特殊的活性和選擇性，常作為催化劑載體或助劑運(yùn)用于化工領(lǐng)域，并表現(xiàn)出優(yōu)越的催化性能。在稀土金屬及其氧化物中，鈰(Ce)和釤(Sm)催化性能較為優(yōu)異，應(yīng)用最為廣泛。研究表明，Ce或者CeO2作為(Ni/Pt)/Al2O3催化劑助劑對(duì)H2O和CO2重整CH4以及N2O分解還原等反應(yīng)均具有很好的促進(jìn)作用。而Sm2O3摻雜的Al2O3實(shí)際催化劑則對(duì)甲烷的氧化耦合反應(yīng)具有突出的催化功效。為了提高催化劑的效率和研發(fā)新的高性能催化

2、劑，需要從原子-分子水平上研究此類催化體系的結(jié)構(gòu)和催化機(jī)理。研究表明金屬/氧化物催化劑的表界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)在催化反應(yīng)中有著至關(guān)重要的作用。但是，實(shí)際催化劑所用的氧化物大多都是絕緣體或者寬禁帶的半導(dǎo)體，例如Al2O3帶寬為9eV，導(dǎo)電性能很差。由于表面荷電效應(yīng)的存在，基于電子/離子的表面探測(cè)技術(shù)很難運(yùn)用到該實(shí)際催化劑中。為了克服這一難題，在金屬單晶襯底上制備導(dǎo)電性能良好的氧化物薄膜技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，用以代替體相氧化物。我們希望通過(guò)研究稀土金屬(

3、Sm、Ce)/Al2O3模型催化劑來(lái)幫助理解催化劑中被擔(dān)載的稀土金屬與氧化鋁載體之間的相互作用、界面性能以及催化反應(yīng)發(fā)生的微觀機(jī)理。論文中，我們運(yùn)用同步輻射光電子能譜（SRPES）及常規(guī)X射線光電子能譜(XPS)技術(shù)，原位研究了Sm和O2在Al2O3/Ni3Al(111)上的吸附及反應(yīng)、初步研究了Ce在Al2O3/Ni3Al(111)上的界面反應(yīng)以及Ce/Al2O3的界面電子結(jié)構(gòu)。
　　本論文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:
　　

4、1.超高真空中，室溫下，在Al2O3/Ni3Al(111)上分別沉積10ML，1.5ML及0.3MLSm后，再分別吸附O2至飽和。在10ML及1.5MLSm/Al2O3表面吸附O2時(shí)，出現(xiàn)了兩種氧:O22-和O2-。但是在0.3MLSm/Al2O3上吸附O2時(shí)只有O2-，而沒(méi)有O22-。在O2吸附過(guò)程中，Sm2+以及金屬態(tài)的Sm被進(jìn)一步氧化為Sm3+。在1.5MLSm/Al2O3吸附O2過(guò)程中，觀察到了Ni3Al(111)襯底中的Al0

5、被進(jìn)一步氧化的現(xiàn)象。
　　2.超高真空中，對(duì)飽和吸附O2的10ML及1.5MLSm/Al2O3分別進(jìn)行退火實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn):亞穩(wěn)態(tài)的O22-在退火到一定溫度之后轉(zhuǎn)換為O2-。由于襯底Al2O3的影響，O22-在1.5MLSm/Al2O3上比在10MLSm/Al2O3上更穩(wěn)定。1.5MLSm/Al2O3在吸附O2之后進(jìn)行的退火過(guò)程中，Ni3Al襯底氧化現(xiàn)象加劇。我們認(rèn)為這是由O22-轉(zhuǎn)化為O2-過(guò)程中提供的活性氧原子擴(kuò)散進(jìn)入襯底引起的。<

6、br>　　3.在Al2O3/Ni3Al(111)表面，O2氣氛下沉積金屬Sm時(shí)，我們同時(shí)檢測(cè)到兩種氧O22-和O2-。此外，只有Sm3+生成，并未發(fā)現(xiàn)Sm2+。在退火過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)Al2O3薄膜增厚現(xiàn)象。我們同樣認(rèn)為這是過(guò)氧分解時(shí)提供的活性氧原子導(dǎo)致的。同時(shí)釤的沉積使氧化鋁薄膜品格及電子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，可能會(huì)增加氧的吸附量，增強(qiáng)氧的擴(kuò)散，使Al2O3薄膜增厚。
　　4.真空中不同溫度下，運(yùn)用SRPES初步研究了Ce在Al2O3上的界面