单晶纤锌矿ZnO(000(1))极性表面分子吸附与反应的超高真空红外光谱研究

摘要

随着经济的高速发展，大气污染与能源短缺成为目前所面临的两大问题。十九世纪八十年代，Fujishima和Honda两位科学家首次报道了利用YiO2电极可以将水光解为H2和O2[1]，自此开启了光催化领域科研的大门。利用光催化技术解决大气污染以及能源短缺问题得到了人们的广泛关注。
　　尽管光催化技术应用前景广泛，但目前很多光催化剂存在催化选择性弱、寿命短、稳定性差等问题。要想实现光催化技术的工业化和实用化，还需对光催化机理做进一步的探索研究。而研究表面与分子的吸附和反应，是理解光催化机理的重要环节。
　　包括ZnO在内的金属氧化物是一类重要的（光）催化剂，利用ZnO或ZnO基化合物制成的催化剂，广泛应用于多种化工生产领域。目前人们对单晶ZnO表面的研究主要集中于非极性表面，而更活泼的ZnO极性表面，由于表面不稳定，人们对其的研究较少。对ZnO极性面的研究，显然更有利于拓宽ZnO催化剂的选择范围和理解催化机理，所以更具有理论和现实意义。
　　本文将从ZnO单晶材料入手，利用新型的超高真空-傅里叶转换红外光谱(Ultrahigh Vacuum-Fourier Transform Infrared Spectrometer)系统，系统研究了极性的单晶纤锌矿ZnO(000(1))-(1×3)重构表面CO、CO2的吸附和共吸附以及ZnO(000(1)-H(1×1)羟基化表面的CO2吸附。主要研究结果如下:
　　1.制备了干净的ZnO(000(1))-(1×3)重构表面，研究了CO2在(1×3)重构表面的吸附。红外光谱结果表明，线性的CO2分子沿氧空位列方向平行吸附在表面氧空位处，以C原子与Zn2+离子结合，结合能较强，脱附温度达到160K。由此给出了(1×3)重构表面CO2分子吸附的模型示意图。将该表面吸附O2后，部分氧空位被填补，使CO2红外振动吸收峰强度有所减弱，但不影响其他CO2在氧空位处吸附。
　　2.研究了CO2在ZnO(000(1))-H(1×1)羟基化表面的吸附状态。实验表明，CO2倾斜吸附在ZnO(000(1))-H(1×1)羟基化表面的氢原子上，相应地给出了吸附模型示意图。退火实验表明CO2在氧空位处的吸附结合能比在羟基化表面的吸附结合能大。
　　3.研究了CO在ZnO(000(1))(1×3)重构表面的吸附。CO只能沿氧空位列方向吸附在氧空位处，CO分子中的C原子结合在氧空位处的Zn2+离子上，其吸附结合能非常强，脱附温度达到250K。
　　4.研究了CO和CO2在ZnO(000(1))(1×3)重构表面的共吸附。CO和CO2可在ZnO(000(1))(1×3)重构表面共吸附。CO倾向于优先占据吸附位置，而CO2只能吸附于CO未占据的位置。由于受共吸附CO的影响，CO2在表面的吸附结合能明显减弱，退火温度只有130K。

目录

声明

摘要

1．1．1 光催化学科简介

1．1．2 COx分子对大气污染的影响

1．1．3 ZnO材料在催化领域的应用

1．2 氧化锌单晶催化剂的研究现状

1．2．1 ZnO低指数面的表面特性

1．2．2 单晶极性ZnO(000(1))面的表面重构

1．3 本文的研究动机及研究内容

第二章 实验仪器介绍与测试分析方法

2．1 超高真空-红外系统简介

2．1．1 红外测试腔(IR)

2．1．2 样品制备分析腔(PREP)

2．1．3 分子束外延腔(MBE)

2．1．4 样品分配腔(UFO)

2．2 样品托的设计与应用

2．2．1 样品的加热

2．2．2 样品降温

2．2．3 样品温度的测量

2．3 傅里叶变换红外光谱探测仪

2．3．1 红外光谱探测仪测量原理

2．3．2 偏振光探测技术

2．3．3 分子振动的量子力学基础

2．4 表面结构生长与探测技术

2．4．1 分子束外延技术

2．4．2 低能电子衍射技术(LEED)

2．4．3 俄歇电子能谱技术(AES)

第三章 单晶ZnO(000(1))-(1×3)重构表面CO2的吸附

3．1 研究背景

3．2 实验处理细节

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 ZnO(000(1))-(1×3)重构表面的制备与分析

3．3．2 ZnO(000(1))-(1×3)重构表面CO2吸附的IRRAS结果

3．3．3 ZnO(000(1))-(1×3)重构表面CO2的分子吸附模型

3．4 本章小结

第四章 单晶ZnO(000(1))-H(1×1)羟基化表面CO2吸附状态

4．1 研究背景

4．2 实验处理细节

4．3 实验结果与讨论

4．3．2 ZnO(000(1))-H(1×1)羟基化表面CO2吸附的IRRAS结果

4．3．3 ZnO(000(1))-H(1×1)羟基化表面CO2的分子吸附模型

4．4 本章小结

第五章 单晶ZnO(000(1))-(1×3)重构表面CO和CO2的共吸附

5．1 研究背景

5．2 实验处理细节

5．3 实验结果与讨论

5．3．2 ZnO(000(1))-(1×3)重构表面CO吸附的IRRAS结果

5．3．3 ZnO(000(1))-(1×3)重构表面CO和CO2共吸附的IRRAS结果

5．3．4 ZnO(000(1))-(1×3)重构表面CO和CO2的共吸附模型

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本论文的主要内容及工作总结

6．2 本论文的特色与创新

6．3 下一步工作展望

参考文献

致谢

在学期间发表的论文