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用于化工領域，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，應用最為廣泛。研究表明，Ce或者CeO2作為(Ni/Pt)/Al2O3催化劑助劑對H2O和CO2重整CH4以及N2O分解還原等反應均具有很好的促進作用。而Sm2O3摻雜的Al2O3實際催化劑則對甲烷的氧化耦合反應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構和催化機理。研究表明金屬/氧化物催化劑的表界面結構和性質在催化反應中有著至關重要的作用。但是，實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體，例如Al2O3帶寬為9eV，導電性能很差。由于表面荷電效應的存在，基于電子/離子的表面探測技術很難運用到該實際催化劑中。為了克服這一難題，在金屬單晶襯底上制備導電性能良好的氧化物薄膜技術應運而生，用以代替體相氧化物。我們希望通過研究稀土金屬(

3、Sm、Ce)/Al2O3模型催化劑來幫助理解催化劑中被擔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發(fā)生的微觀機理。論文中，我們運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，原位研究了Sm和O2在Al2O3/Ni3Al(111)上的吸附及反應、初步研究了Ce在Al2O3/Ni3Al(111)上的界面反應以及Ce/Al2O3的界面電子結構。
　　本論文的主要研究內容及結果如下:
　　

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，出現(xiàn)了兩種氧:O22-和O2-。但是在0.3MLSm/Al2O3上吸附O2時只有O2-，而沒有O22-。在O2吸附過程中，Sm2+以及金屬態(tài)的Sm被進一步氧化為Sm3+。在1.5MLSm/Al2O3吸附O2過程中，觀察到了Ni3Al(111)襯底中的Al0

5、被進一步氧化的現(xiàn)象。
　　2.超高真空中，對飽和吸附O2的10ML及1.5MLSm/Al2O3分別進行退火實驗時發(fā)現(xiàn):亞穩(wěn)態(tài)的O22-在退火到一定溫度之后轉換為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之后進行的退火過程中，Ni3Al襯底氧化現(xiàn)象加劇。我們認為這是由O22-轉化為O2-過程中提供的活性氧原子擴散進入襯底引起的。<

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