氧化锌有序结构在Au(111)和Cu(111)上的生长（英文）

利用NO_2或O_2作为氧化剂,研究了氧化锌在Au(111)和Cu(111)上的生长和结构。NO_2表现了更好的氧化性能,有利于有序氧化锌纳米结构或薄膜的生长。在Au(111)和Cu(111)这两个表面上,化学计量比氧化锌都形成非极性的平面化ZnO(0001)的表面结构。在Au(111)上,NO_2气氛下室温沉积锌倾向于形成双层氧化锌纳米结构;而在更高的沉积温度下,在NO_2气氛中沉积锌则可同时观测到单层和双层氧化锌纳米结构。O_2作为氧化剂时可导致形成亚化学计量比的ZnOx结构。由于铜和锌之间的强相互作用会促进锌的体相扩散,并且铜表面可以被氧化形成表面氧化物,整层氧化锌在Cu(111)上的生长相当困难。我们通过使用NO_2作为氧化剂解决了这个问题,生长出了覆盖Cu(111)表面的满层有序氧化锌薄膜。这些有序氧化锌薄膜表面显示出莫尔条纹,表明存在一个ZnO和Cu(111)之间的莫尔超晶格。实验上观察到的超晶格结构与最近理论计算提出的Cu(111)上的氧化锌薄膜结构相符,具有最小应力。我们的研究表明,氧化锌薄膜的表界面结构可能会随氧化程度或氧化剂的不同而变化,而Cu(111)的表面氧化也可能影响氧化锌的生长。当Cu(111)表面被预氧化成铜表面氧化物时,ZnOx的生长模式会发生变化,锌原子会受到铜氧化物晶格的限域形成单位点锌。我们的研究表明了氧化锌的生长需要抑制锌向金属基底的扩散,并阻止亚化学计量比ZnOx的形成。因此,使用原子氧源有利于在Au(111)和Cu(111)表面上生长有序氧化锌薄膜。     

离子液体中Au(111)和Pt(111)表面Ge欠电位沉积的现场STM研究

本文研究BMIPF₆离子液体中Au(111)和Pt(111)表面Ge的电沉积行为. 循环伏安法测试结果表明,在含0.1 mol·L^-1 GeCl₄的BMIPF₆溶液Au(111)和Pt(111)表面均有两个与Ge沉积过程相关的还原峰. 第一个还原峰包含了Ge⁴⁺还原成Ge²⁺及Ge的欠电位沉积,第二个还原峰对应Ge的本体沉积. 现场扫描隧道显微镜研究结果表明,Ge在Au(111)和Pt(111)表面均有两层欠电位沉积. 第一层欠电位沉积厚度约为0.25 nm、形貌平整、带有缝隙的亚单层结构. 第二层欠电位沉积形貌相对粗糙的点状团簇结构. 该欠电位沉积过程伴随表面合金化.     

单原子分散的Au/Cu(111)表面合金的表面结构与吸附性质

Au-Cu双金属合金纳米颗粒对包括CO氧化和CO2还原等在内的多个反应有较好的催化活性,然而关于其表面性质的研究却相当匮乏。在此工作中,我们通过对低覆盖度的Au/Cu(111)和Cu/Au(111)双金属薄膜退火,制备出了单原子级分散的Au/Cu(111)和Cu/Au(111)合金化表面,并利用高分辨扫描隧道显微镜(STM)和扫描隧道谱(STS)进一步研究了掺杂原子的电子性质及其对CO吸附行为的影响。研究发现,分散在Cu(111)表面的表层和次表层Au单原子在STM上表现出不同衬度。在-0.5 e V附近,前者表现出相较于Cu(111)明显增强的电子态密度,而后者则明显减弱。吸附实验表明表层Au单原子对CO的吸附能力并没有得到增强,甚至会减弱其周围Cu原子的吸附能力。与Au在Cu(111)表面较好的分散相反,Cu原子倾向于钻入Au(111)的次表层,并且形成多原子聚集体。且Cu原子受Au(111)衬底吸电子作用的影响,其对CO的吸附能力明显减弱。这个研究结果揭示了合金表面的微观结构与性质的关联,为进一步阐明Au-Cu双金属催化剂的表面反应机理提供参考。     

Schiff碱N-aete-N在Au(111)上自组装单分子膜的电化学及STM研究

利用电化学技术及扫描隧道显微镜(STM),于0.1mol/LHClO₄溶液中研究了Schiff碱N-aete-N在单晶Au(111)面上所形成的自组装单分子膜(SAMs)的电化学性质及结构.N-aete-N在Au(111)电极表面的吸附抑制了金的阳极氧化,同时使固/液界面双层电容明显降低.观察到N-aete-NSAMs的高分辨STM图像.N-aete-N分子在Au(111)表面上以(6×7)结构单胞呈二维有序排列,其表面浓度为5.5×10^-11mol/cm².     

CeO2(111)和CeO2(100)的界面调控合成及在Pt(111)上的结构转变

氧化铈基催化材料在催化反应中存在显著的晶面效应,为了在分子尺度上理解其催化化学,需要可控合成具有明确表面结构的氧化铈.因此,我们研究了Pt(111)上氧化铈纳米结构和薄膜的生长.人们通常使用金属-氧化物之间的强相互作用来解释Pt/CeO_x催化剂上的催化过程,然而对于Pt与CeO_x之间的强相互作用仍旧缺乏原子尺度上的了解.我们的结果表明, Pt与氧化铈之间的相互作用可以影响氧化铈的表界面结构,这可能会进而影响Pt/CeO_x催化剂的性质.在Pt(111)上生长的氧化铈薄膜通常暴露CeO_2(111)表面.我们发现Pt(111)表面厚度在三层以内的氧化铈薄膜,其结构是高度动态且随着退火温度升高而变化的,这种动态结构变化可归因于Pt和氧化铈间的界面电子作用.当氧化铈薄膜的厚度增大到三层以上,其负载的氧化铈团簇开始表现出迥异于三层以下氧化铈纳米岛的优异的热稳定性,表明Pt与CeO_x之间的界面电子作用主要影响厚度在三层以内的氧化铈纳米结构.采用常规的反应沉积方法难以获得完全覆盖Pt(111)衬底的规整氧化铈薄膜,而我们通过采取一种两步的动力学限制生长方法,制备出了完全覆盖Pt(111)衬底的氧化铈薄膜.对于Pt(111)上厚度约为3-4层的氧化铈薄膜,在超高真空中于1000 K退火会导致氧化铈薄膜表面形成CeO_2(100)结构.这是因为高温还原促进了c-Ce_2O_3(100)缓冲层的形成,该缓冲层被Pt的界面电子转移以及相匹配的超晶格所稳定,并进一步成为顶层CeO_2(100)结构生长的模板.进一步在900 K的氧气中处理则可将薄膜CeO_2(100)表面完全转变为CeO_2(111)表面.因此, Pt(111)上氧化铈纳米岛和薄膜所展现的结构动态变化是由Pt-CeO_x界面作用与氧化铈层间作用相互竞争所决定.本研究提供了对氧化铈负载Pt催化剂的原子级理解,虽然Pt/CeO_2催化剂活性增强的原因常被简单归结于界面强相互作用,我们的研究在原子尺度上进一步表明Pt/CeO_2在还原条件下易形成界面Ce_2O_3层.此外,本研究提供了不同晶面二氧化铈模型催化剂的构筑方法,可将对氧化铈晶面效应和Pt/CeO_x催化剂的研究推进到分子尺度.     

Ni在ZrO2(111)薄膜表面的生长、电子结构及热稳定性

利用X射线光电子能谱、紫外光电子能谱和低能电子衍射研究了Ni纳米颗粒在ZrO₂(111)薄膜表面的生长模式、电子结构及热稳定性. ZrO₂(111)薄膜外延生长于Pt(111)单晶表面,厚度约为3 nm.结果表明,当Ni气相沉积到ZrO₂(111)薄膜表面上时,遵循Stranski-Krastanov生长模式,即先二维生长至0.5 ML(monolayer),然后呈三维岛状生长.随着覆盖度的减小, Ni 2p_3/2峰逐渐向高结合能位移.利用俄歇参数法分析发现,引起该峰向高结合能位移的主要原因来源于终态效应的贡献,但在低的Ni覆盖度时,也有部分初态效应的贡献,说明Ni在ZrO₂表面初始生长时,两者存在较强的界面相互作用, Ni向ZrO₂衬底传递电荷,形成带部分正电荷的Ni_δ+.两种不同覆盖度(0.05和0.5 ML)的Ni/ZrO₂(111)模型催化剂热稳定性研究表明,当温度升高时, Ni逐渐被氧化成Ni₂₊,并伴随着向ZrO₂衬底的扩散.本文从原子水平上认识了Ni与ZrO₂表面的相互作用和界面结构,为理解实际ZrO₂担载的Ni催化剂结构提供了重要的依据.     

异氰衍生物在Au(111)表面吸附和自组装的研究

本文通过密度泛函理论和分子动力学模拟方法研究了异氰衍生物在Au(111)表面的吸附和自组装。分别采用平板模型和簇模型对苯异氰的吸附进行了密度泛函理论计算。利用自己建立的Au-C力场参数模拟了2-isocyanoazulene 和1,3-diethoxycarbonyl-2-isocyanoazulene 在 Au(111)的自组装。通过计算得到顶位吸附是最稳定的；通过模拟得出异氰衍生物确实能在Au(111)表面形成有序的面对边自组装单层，并且分子都能垂直位于Au(111)表面上。     

半冠醚配体在Au(111)电极表面上的有序阵列的原位STM研究

利用电化学扫描隧道显微术(ECSTM)和循环伏安法, 研究了三个半冠醚配体在Au(111)表面上的吸附结构. 虽然配体分子的几何结构复杂、对称性较差, 但在Au(111)电极表面, 均形成了有序的阵列, 这是分子-分子间相互作用与分子-基底间相互作用平衡的结果. 高分辨率STM图像揭示了有序阵列中分子的内部结构、取向、排列方式等. 该研究为通过过渡金属调控的纳米结构制备提供了实验依据.     

Au/Pd(111)双金属表面催化噻吩加氢脱硫的反应机理

采用密度泛函理论(DFT)计算了Pd(111)表面含有N(N=1-4)个Au原子数目时的表面形成能,选取最优构型进一步研究了噻吩在Au/Pd(111)双金属表面的吸附模式及加氢脱硫反应过程.结果表明:当Pd(111)表面含有1个Au原子时,其形成能最低.在Au/Pd(111)双金属表面噻吩初始吸附于Pd-Hcp-30°位时,其构型最稳定.在各加氢脱硫过程中,反应总体均放出热量.对于直接脱硫机理,其所需活化能较低,但脱硫产物较难控制;对于间接脱硫机理,反应最有可能按照顺式加氢方式进行,C―S键断裂开环时所需活化能最高,是反应的限速步骤.此外,与单一Au(111)面及Pd(111)面相比,Au/Pd(111)双金属表面限速步骤的反应能垒最低,表明AuPd双金属催化剂比Au、Pd单金属催化剂更有利于噻吩加氢脱硫反应的进行.     

窄带隙Ⅳ-Ⅵ族半导体PbTe(111)的表面氧化及氧的热脱附机理

利用X射线光电子能谱(XPS)、扫描隧道显微镜(STM)以及低能电子衍射(LEED),对PbTe(111)薄膜的表面氧化及氧的热脱附机理进行了研究.结果表明:PbTe(111)薄膜经500 V Ar+轰击加上250℃高温退火循环处理,可得到呈(1×1)周期性排列的清洁表面.将此清洁表面暴露于大气两天后,表面被氧化形成了PbO2、PbO和TeO2,氧化层的厚度大于2个单原子层(ML),与清洁PbTe(111)表面相比,被氧化的PbTe(111)表面的Te 3d5/2与Pb 4f7/2芯态谱峰的面积比明显减小,表明被氧化的PbTe(111)表面是富Pb的.在热脱附处理过程中,PbO2和TeO2的芯态峰消失,且O1s芯态峰的强度迅速减弱,表明加热处理不仅使PbO2和TeO2发生了分解,同时也使氧发生了脱附,但PbO即使在350℃退火仍吸附于PbTe(111)表面.     

NO与NO2在ZnO表面吸附的密度泛函理论研究

采用 DMol ³ 模块中广义梯度密度泛函理论(GGA)的Perdew-Burke-Ernzerh(PBE)方法研究含能材料分解气体产物NO, NO₂在ZnO(10 \bar{1} 0)表面的吸附和NO₂解离生成NO和O的过程. 结果表明, 优化后的吸附构型显示Zn顶位为稳定吸附位点, NO₂的吸附能大于NO. 态密度图分析结合差分电荷密度图表明, NO的N原子与表面Zn有相互作用, 电荷从NO转移到表面; NO₂的N_2p, O_2p轨道与表面Zn_3d轨道发生杂化, NO₂附近积累大量负电荷. 过渡态搜索显示NO₂的解离需跨过较高能垒, 不易进行.     

Epitaxial electrodeposition of ZnO on Au(111) from alkaline solution: exploiting amphoterism in Zn(II)

The amphoteric nature of ZnO is used to produce the material from strongly alkaline solution. The solution pH is lowered globally to produce ZnO powder, and it is lowered locally at a Au(111) surface to produce epitaxial films. ZnO powder is precipitated from a solution of 10 mM Zn(II) in 0.25 M NaOH by simply adding 1 M HNO3 to the solution. For the film electrodeposition, the local pH at the electrode surface is decreased by electrochemically oxidizing the ascorbate dianion. The chemically precipitated ZnO powder grows with a sea urchin-like nanostructure, whereas the electrodeposited films have a columnar structure. ZnO electrodeposited onto a Au(111) single crystal has a ZnO(0001)[1011]//Au(111)[110] orientation relationship.     

金属-有机配合物分子在Au(111)表面的吸附行为

用STM对含氧桥的金属-有机配合物[Cu₂(μ-O)(dptap)4(NO₃)₂]分子在Au(111)表面的吸附行为进行了研究. STM结果表明, 该分子同时存在非解离吸附和解离吸附, 大部分分子在Au(111)面形成有规则的排列, 少量分子发生解离吸附, 并形成(√3×√3)R30°Cu原子吸附结构. 探讨了两种吸附现象共存的起因.     

铜掺氧化锌多孔纳米棒的水热合成及其光催化性能

通过两步法合成铜掺杂的氧化锌纳米棒,通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）和紫外-可见（UV-Vis）分光光谱等技术对系列样品进行了表征,研究并探索了铜掺杂的氧化锌纳米棒光降解染料罗丹明B（RhB）和气体乙醛的催化活性。通过对多孔Cu掺杂ZnO纳米棒光催化分解乙醛进行了评价。多孔Cu掺杂ZnO纳米棒（CZ-5）光催化剂具有最高的催化分解乙醛的能力,比其它多孔Cu掺杂ZnO纳米棒具有很高的催化活性。多孔Cu掺杂ZnO纳米棒光催化剂在室温下在可见光（435 nm）下照射16 h,5.50×10^-4（φ,体积分数）的乙醛气体完全降解为二氧化碳（CO₂）。多孔铜掺杂的氧化锌纳米棒光催化剂的光催化性能的改善主要归因于铜和氧化锌纳米棒之间的协同作用。这种改进的光催化协同作用归因于Cu掺杂ZnO的可见光吸收的延伸和光生电子空穴对的抗重组。     

Ti基ZnO纳米棒阵列的制备及其光催化性能研究

采用两电极体系中恒电流电沉积在Ti基底上制得较均一的ZnO纳米棒阵列,利用SEM和XRD观察表征样品,研究Zn(NO₃)₂浓度及电流密度对ZnO纳米棒阵列微观形貌的影响. 以甲基橙为目标降解物,考察该电极光催化性能. 结果表明,Zn(NO₃)₂浓度和电流密度对纳米棒阵列的形貌有显著影响;与ITO玻璃等其他基底相比,在Ti基底上也可沉积较好均一取向的ZnO纳米棒阵列;紫外灯照射下,ZnO/Ti电极对甲基橙（10 mg·L^-1）模拟印染废水降解2.5 h,降解率达到83.3%,光催化活性较佳;无光照时ZnO纳米棒的降解率仅7%.     

二维金属-六亚氨基苯框架材料的气体吸附效应

利用密度泛函理论研究了气体分子(NH₃, H₂O, H₂S, NO₂)吸附在二维M₃(HIB)₂(M=Ni, Cu; HIB为六亚氨基苯)薄膜上体系的几何结构和电子结构的变化. 结果表明, 2种薄膜对气体分子的响应不同. 其中NH₃, H₂O和H₂S在M₃(HIB)₂薄膜表面的吸附较弱, 主要与薄膜的亚氨基形成氢键, 吸附能均小于-0.36 eV, 吸附对体系电子性质的影响很小. 但是 NO₂分子在薄膜表面形成化学吸附, 吸附能在-0.65~-1.72 eV范围内. 吸附NO₂分子使其电子结构发生明显改变, 如Cu₃(HIB)₂在费米能级处打开带隙, 由金属性质转变为半导体性质. 这是由于NO₂分子的p_z轨道与金属原子$d_{z}^{2}$ 轨道发生了强烈的轨道杂化. 此外, 研究发现高浓度的NO₂分子吸附能够使Ni₃(HIB)₂薄膜由非磁性变为磁性体系, 由普通金属性质变为半金属性质; 而高浓度的NO₂分子使Cu₃(HIB)₂薄膜由金属性质变为半导体性质, 薄膜电导率降低.     

三聚氰胺与蜜勒胺在Au (111)表面的自组装和氢键识别

Melamine and melem molecules are widely used precursors for synthesizing graphitic carbon nitride (g-C₃N₄), the latter also a hot two-dimensional material with photocatalytic applications. The molecular structures of both are respectively identical to the repeating units of two distinct g-C₃N₄ phases. In this work, the adsorption and self-assembly of melamine and melem on an Au(111) surface were investigated with low-temperature scanning tunneling microscopy (STM). Particularly, the patterns of hydrogen bonds (HBs) in their assemblies were identified and compared. It was found that melamine can only form one type of HB and two kinds of assembly structures, whereas melem can form three types of HBs and six kinds of assembly structures in total. Moreover, the involved HBs can be transformed by tip manipulation. These findings may provide a new strategy for tuning the functionality of surface self-assemblies by manipulating intermolecular hydrogen bonds. This also paves a route for the in situ synthesis of g-C₃N₄ on metallic surfaces and subsequent investigations of their physicochemical properties.