Cr掺杂ZnO(■)表面的原子结构和电子性质研究（英文）

摘要:多相催化中ZnO基催化剂广泛应用于甲醇合成、水汽变换和合成气转化等诸多领域.近期发展的ZnCrO_x-分子筛双功能催化剂(OX-ZEO)打破了传统合成气转化的ASF分布,能够高选择性地实现CO加氢转化为低碳烯烃.其中CO在ZnCrO_x表面活化被认为是OX-ZEO催化的关键基元过程,但是ZnCrO_x表面的活性位组成和结构目前仍然缺乏原子尺度上的理解,阻碍了人们对反应机理的研究.因此,本文构建了Cr掺杂ZnO(■)单晶的模型催化剂,结合低温扫描隧道显微镜(LT-STM)和X射线光电子能谱(XPS),研究不同条件下Cr在ZnO(■)表面生长的形貌结构,并重点考察了Cr掺杂对表面电子结构和CO吸附的影响.ZnO(■)是Zn-O混合终止的非极性面,也是ZnO最稳定的晶面.实验发现室温下沉积Cr在ZnO(■)表面时,出现多种生长结构.STM显示低覆盖度(0.1 ML)的沉积Cr在ZnO(■)台阶面上出现单分散的亮点和暗点,分别为位于表面O原子链上的Cr原子和嵌入ZnO晶格替代Zn~(2+)的Cr.XPS显示这些Cr原子与ZnO之间存在电荷转移,呈现出+3价.由于Cr在[0001]方向扩散能垒高于沿着[■]方向扩散的能垒,能够观察到少量沿着[0001]台阶方向生长的长方形岛,归属为Cr岛.表面单分散Cr原子和Cr岛的密度都会随着Cr沉积量的增加而增多.当在200 K沉积Cr来抑制Cr的表面扩散行为,我们发现Cr主要在ZnO面上形成Cr团簇,均匀分散在表面;而在400 K沉积时,Cr则直接扩散进入ZnO晶格.STM和XPS结果都表明,600 K以上的高温处理能够促进Cr进入ZnO晶格,同时伴随Cr岛的分解,这说明表面负载的Cr原子在高温不能稳定存在;而Cr岛的再分散进入到近表层甚至体相,也表明了Cr和ZnO之间的强相互作用.这种强相互作用有利于Cr在ZnO表层进行原子级分散,形成具有催化活性的结构;与此同时,实验发现Cr扩散到近表层会导致表面能带向上弯曲,从而导致XPS芯能级向低结合能位移.在超高真空条件下,CO与Cr掺杂的ZnO表面作用较弱,室温下只观察到碳酸盐的形成.因此,通过对比不同条件下Cr在ZnO(■)表面的生长结构,热稳定性以及相应的电子结构变化,发现Cr和ZnO存在强相互作用,在600 K以上Cr以Cr~(3+)形式分散到ZnO晶格中.本文通过构建Cr/ZnO(■)模型催化剂,并研究其原子结构与电子结构的演变,为进一步的分子尺度合成气转化机理研究开辟了道路.     

BiZrO_(x)/ZSM-5催化合成气直接芳构化的研究北大核心CSCD

使用超临界法制备纳米BiZrO_(x)金属氧化物与ZSM-5分子筛复合得到双功能催化剂用于合成气直接芳构化,研究了Bi/Zr比对BiZrO_(x)金属氧化物、BiZrO_(x)/ZSM-5双功能催化剂催化CO加氢反应性能的影响.结果表明,少量Bi掺杂在ZrO_(2)中显著促进了金属氧化物催化剂对H_(2)的吸附和解离,有利于合成气活化,同时有助于BiZrO_(x)金属氧化物表面获得高浓度和相对缺电子性的氧空位,提高了催化剂催化活性.合成气转化过程中,合成气转化能力与氧空位浓度呈正相关,Bi掺杂提高了CO的转化率和产物中芳烃的选择性.     

预处理条件对Au/ZnO催化剂CO氧化性能的影响

采用沉积沉淀法制备了用于CO氧化的Au/ZnO催化剂, 并用程序升温还原(TPR), X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)技术对催化剂进行了表征. 结果表明: 采用沉积沉淀法可制备出高度分散的Au/ZnO催化剂; 提高焙烧温度导致金颗粒聚集长大, 样品经533, 673, 773 K焙烧后金物种的颗粒尺寸分别为2.7, 3.5, 3.7 nm. 催化剂的TPR表征结果中发现部分还原态的金物种在室温就可被氧化, 催化剂预先用流动空气处理可提高其氧化还原性, 样品经多次氧化还原循环后, 其氧化循环性能没有明显下降. CO的氧化反应结果表明, 焙烧温度强烈影响催化剂对CO的氧化活性, 533 K焙烧后的催化剂活性最高. 即使在反应气中含水3.1%(体积比)的湿气条件下, 反应300 h后, CO的转化率仍然保持在95%.     

衬底温度对ZnO薄膜生长过程和微结构的影响

从原子尺度上去研究薄膜生长过程中温度对薄膜取向性、缺陷结构以及薄膜完整性的影响和作用规律, 对于解释薄膜生长的物理本质、控制生长条件、提高薄膜制备的质量具有重要意义. 本文应用基于反应力场的分子动力学方法研究了ZnO薄膜(000l)表面作为衬底的薄膜沉积生长过程, 初步讨论了衬底温度(200、500和800 K)变化对沉积较薄ZnO膜质量的影响, 部分结果与实验观察相符. 结果表明, 衬底温度在500 K左右时, 沉积原子结构径向分布函数曲线特征峰尖锐、明显, 有序度较高, 注入和溅射对薄膜完整性影响较小, 沉积形成的薄膜结构稳定而又致密. 在预置衬底表面平坦的情况下薄膜呈现一种链岛状的生长模式, 每原子层均具有两种生长取向, 导致其生长前锋交汇处形成了一种新的有序缺陷.     

Ga-F共掺杂ZnO导电性和透射率的第一性原理计算

用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,对本征ZnO,Ga、F单掺ZnO和Ga-F共掺ZnO的几何结构进行优化后计算了各体系的相关性质.结果表明各掺杂体系有各自的优缺点,在制作透明导电薄膜时可根据具体要求采取不同的掺杂方案.Ga掺杂ZnO比F掺杂ZnO的晶格畸变小.相同环境下Ga原子比F原子更容易进入ZnO晶格,因此掺杂后结构更加稳定.Ga、F掺杂都改善了ZnO的导电性,掺杂ZnO的载流子浓度比本征ZnO增加了3个数量级,相同浓度的F掺杂比Ga掺杂能产生更多的载流子.Ga-F共掺杂ZnO折中了上述Ga、F单掺杂ZnO的优缺点.另外,掺杂后ZnO的吸收边蓝移,以Ga-F共掺杂ZnO在紫外区域的透射率最大,在280~380 nm范围内其透射率在90%以上.     

N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列的掺杂机理及其光催化活性

以ZnO纳米柱阵列为模板, 采用溶胶-凝胶法制备出TiO2/ZnO和N掺杂TiO2/ZnO的复合纳米管阵列. 扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis)的结果表明: 两种阵列的纳米管均为六角形结构, 直径约为100 nm, 壁厚约为20 nm; 在N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列中, 掺入的N离子主要是以N-Ox、N-C和N-N的形式化学吸附在纳米管表面, 仅有少量的N离子以取代式掺杂的方式占据TiO2晶格O的位置; 表面N物种形成的表面态能级和取代式掺杂导致带隙的窄化, 增强了纳米管阵列的光吸收效率, 促进了光生载流子的分离. 光催化实验结果表明, N离子的掺杂有利于N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列光催化活性的提高.     

N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列的掺杂机理及其光催化活性

以ZnO纳米柱阵列为模板, 采用溶胶-凝胶法制备出TiO2/ZnO和N掺杂TiO2/ZnO的复合纳米管阵列. 扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis)的结果表明: 两种阵列的纳米管均为六角形结构, 直径约为100 nm, 壁厚约为20 nm; 在N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列中, 掺入的N离子主要是以N-Ox、N-C和N-N的形式化学吸附在纳米管表面, 仅有少量的N离子以取代式掺杂的方式占据TiO2晶格O的位置; 表面N物种形成的表面态能级和取代式掺杂导致带隙的窄化, 增强了纳米管阵列的光吸收效率, 促进了光生载流子的分离. 光催化实验结果表明, N离子的掺杂有利于N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列光催化活性的提高.     

N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列的掺杂机理及其光催化活性

以ZnO纳米柱阵列为模板, 采用溶胶-凝胶法制备出TiO2/ZnO和N掺杂TiO2/ZnO的复合纳米管阵列. 扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis)的结果表明: 两种阵列的纳米管均为六角形结构, 直径约为100 nm, 壁厚约为20 nm; 在N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列中, 掺入的N离子主要是以N-Ox、N-C和N-N的形式化学吸附在纳米管表面, 仅有少量的N离子以取代式掺杂的方式占据TiO2晶格O的位置; 表面N物种形成的表面态能级和取代式掺杂导致带隙的窄化, 增强了纳米管阵列的光吸收效率, 促进了光生载流子的分离. 光催化实验结果表明, N离子的掺杂有利于N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列光催化活性的提高.     

N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列的掺杂机理及其光催化活性

以ZnO纳米柱阵列为模板, 采用溶胶-凝胶法制备出TiO2/ZnO和N掺杂TiO2/ZnO的复合纳米管阵列. 扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis)的结果表明: 两种阵列的纳米管均为六角形结构, 直径约为100 nm, 壁厚约为20 nm; 在N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列中, 掺入的N离子主要是以N-Ox、N-C和N-N的形式化学吸附在纳米管表面, 仅有少量的N离子以取代式掺杂的方式占据TiO2晶格O的位置; 表面N物种形成的表面态能级和取代式掺杂导致带隙的窄化, 增强了纳米管阵列的光吸收效率, 促进了光生载流子的分离. 光催化实验结果表明, N离子的掺杂有利于N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列光催化活性的提高.     

N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列的掺杂机理及其光催化活性

以ZnO纳米柱阵列为模板, 采用溶胶-凝胶法制备出TiO2/ZnO和N掺杂TiO2/ZnO的复合纳米管阵列. 扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis)的结果表明: 两种阵列的纳米管均为六角形结构, 直径约为100 nm, 壁厚约为20 nm; 在N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列中, 掺入的N离子主要是以N-Ox、N-C和N-N的形式化学吸附在纳米管表面, 仅有少量的N离子以取代式掺杂的方式占据TiO2晶格O的位置; 表面N物种形成的表面态能级和取代式掺杂导致带隙的窄化, 增强了纳米管阵列的光吸收效率, 促进了光生载流子的分离. 光催化实验结果表明, N离子的掺杂有利于N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列光催化活性的提高.     

N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列的掺杂机理及其光催化活性

以ZnO纳米柱阵列为模板, 采用溶胶-凝胶法制备出TiO2/ZnO和N掺杂TiO2/ZnO的复合纳米管阵列. 扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis)的结果表明: 两种阵列的纳米管均为六角形结构, 直径约为100 nm, 壁厚约为20 nm; 在N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列中, 掺入的N离子主要是以N-Ox、N-C和N-N的形式化学吸附在纳米管表面, 仅有少量的N离子以取代式掺杂的方式占据TiO2晶格O的位置; 表面N物种形成的表面态能级和取代式掺杂导致带隙的窄化, 增强了纳米管阵列的光吸收效率, 促进了光生载流子的分离. 光催化实验结果表明, N离子的掺杂有利于N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列光催化活性的提高.     

N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列的掺杂机理及其光催化活性

以ZnO纳米柱阵列为模板, 采用溶胶-凝胶法制备出TiO2/ZnO和N掺杂TiO2/ZnO的复合纳米管阵列. 扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis)的结果表明: 两种阵列的纳米管均为六角形结构, 直径约为100 nm, 壁厚约为20 nm; 在N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列中, 掺入的N离子主要是以N-Ox、N-C和N-N的形式化学吸附在纳米管表面, 仅有少量的N离子以取代式掺杂的方式占据TiO2晶格O的位置; 表面N物种形成的表面态能级和取代式掺杂导致带隙的窄化, 增强了纳米管阵列的光吸收效率, 促进了光生载流子的分离. 光催化实验结果表明, N离子的掺杂有利于N-TiO2/ZnO复合纳米管阵列光催化活性的提高.     

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