納米催化劑和能源器件表面化學(xué)性質(zhì)的原位研究.pdf

1、在納米催化和能源領(lǐng)域，材料表面的物理化學(xué)性質(zhì)在應(yīng)用中起著關(guān)鍵性的作用。但許多工作是在真空環(huán)境下對(duì)結(jié)構(gòu)規(guī)整的模型體系（例如單晶等）進(jìn)行研究，盡管這些研究取得了許多非常重要的成果，但是由于“壓力鴻溝”和“材料鴻溝”的存在，這些結(jié)果往往并不能真實(shí)揭示在實(shí)際應(yīng)用中的納米催化材料和能源器件的表面性質(zhì)，所以對(duì)納米催化材料和能源器件在工作狀態(tài)下的表面進(jìn)行原位研究是當(dāng)前表面科學(xué)領(lǐng)域的最重要的方向之一。在本論文中，我們利用近常壓X射線光電子能譜(APXP

2、S)和掠入射小角X射線散射(GISAXS)等表征手段，研究了一系列氧化物薄膜、薄膜負(fù)載金屬原子簇、二維催化材料、固態(tài)鈉氧電池能源器件等體系在實(shí)際工作時(shí)的原位表面化學(xué)性質(zhì)。主要的的研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)利用APXPS對(duì)在氧氣氛圍下Al2O3、TiO2和ZnO超薄薄膜表面的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原位研究。當(dāng)引入氧氣時(shí)，我們觀察到所有的樣品表面在氧氣氣氛下都發(fā)生了向上的能帶彎曲，這是由于表面上強(qiáng)化學(xué)吸附的氧造成的。通過在氧氣氛圍下同時(shí)監(jiān)測(cè)能

3、帶彎曲以及功函數(shù)變化，我們獲得了表面電子親和勢(shì)的變化。我們發(fā)現(xiàn)在室溫下，Al2O3和ZnO薄膜曝露于氧氣氛圍中，其電子親和勢(shì)都發(fā)生了降低。這個(gè)現(xiàn)象歸因于其表面上的路易斯酸位點(diǎn)和弱化學(xué)吸附的氧氣形成電偶極子造成的。不同溫度下的氧吸附研究結(jié)果，也證實(shí)了弱化學(xué)吸附氧氣的存在。
　　(2)利用APXPS和GISAXS對(duì)負(fù)載在Al2O3和TiO2襯底上不同尺寸的銀原子簇的氧化還原和高溫團(tuán)聚現(xiàn)象進(jìn)行了原位研究。我們研究了銀原子簇和襯底薄膜在不

4、同氣氛和溫度下的電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于襯底和催化劑之間的相互作用，銀原子簇在不同氣氛下的化學(xué)性質(zhì)比體相銀更加穩(wěn)定。由于TiO2跟銀原子簇之間具有更強(qiáng)的相互作用，在高溫條件下，負(fù)載在TiO2上的銀原子簇比其它基底具有更好的抗團(tuán)聚性。由于氧化物薄膜只有3個(gè)分子層，研究中我們也觀察到了電子可以隧穿氧化物薄膜從襯底傳輸?shù)姐y原子簇。
　　(3)利用APXPS和拉曼研究了1T相單層WS2在加熱和水相保存時(shí)的穩(wěn)定性和相變特性。通過鋰插層獲得的1

5、T相單層WS2比2H相WS2對(duì)電解水析氫反應(yīng)(HER)具有更好的電催化效果。我們的結(jié)果表明WS2的1T相是亞穩(wěn)態(tài)，在加熱到200℃時(shí)，發(fā)生了1T相向2H相的轉(zhuǎn)變。通過研究保存條件對(duì)樣品的影響，我們發(fā)現(xiàn)保存在水溶液中的1T相單層WS2由于具有更多的缺陷，很容易被氧化。研究還發(fā)現(xiàn)氧化的WS2在HER中會(huì)被還原，并導(dǎo)致樣品中的1T相向2H相轉(zhuǎn)變。
　　(4)利用APXPS原位研究了固態(tài)鈉氧電池分別在氧氣和二氧化碳?xì)夥障逻M(jìn)行充放電循環(huán)時(shí)表