氧化锌有序结构在Au(111)和Cu(111)上的生长

利用NO₂或O₂作为氧化剂,研究了氧化锌在Au(111)和Cu(111)上的生长和结构。NO₂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,NO₂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NO₂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。O₂作为氧化剂时可导致形成亚化学计量比的ZnO_x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NO₂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,ZnO_x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ZnO_x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。     

Sb在Au单晶电极上结构敏感吸附行为的比较

本文研究比较Sb(III)在Au(111)和Au(100)电极上的不可逆吸附与还原和Sb的欠电位沉积行为及其相互影响.现场扫描隧道显微镜和循环伏安法测试结果表明,基底表面结构不仅影响阴离子的吸附行为和Sb的吸附结构,而且还影响其自身结构的稳定性.在Au(111)表面,致密无序膜的SbO+不可逆吸附层还原后基本保持原有的无序结构;而在Au(100)表面,由于SO42-的共吸附,不可逆吸附物种还原后形成(2×2)有序结构.在Au(111)表面上,Sb的欠电位沉积伴随显著的合金化,且因表面有序结构的破坏而形成沟道状二维结构;但对Au(100)表面,由于其晶格和尺寸与稳定的AuSb2合金之(100)面有较好的匹配性,使Au与Sb得以形成有序的表面化合物,从而避免了欠电位沉积过程中的表面合金化问题,进一步体现基底结构的敏感性和重要性.     

Au(111)-离子液体界面层状结构与温度关联的原位AFM力曲线研究

本文针对BMIPF6 和OMIPF6两种离子液体,在电极表面远离零电荷电位且以负电荷表面电位下,运用AFM力曲线详细地研究了其与Au(111)单晶电极界面所形成的层状结构与温度的关联. 在15 ~ 40 ^oC的温度范围内,温度越低其离子液体层状结构越稳定. 温度对OMIPF₆离子液体层状结构的稳定性和数目的影响较BMIPF₆缓和：温度变化5 ^oC,OMIPF₆靠近表面第一层层状结构的力值变化仅为1 ~ 2 nN,而BMIPF6第一层层状结构的力值变化为3 ~ 5 nN;较低温下,BMIPF₆中层状结构的数目有所增加,而OMIPF₆的层状数目始终保持两层,且随温度的变化并不敏感. 这可归因于两种离子液体的阳离子尺寸以及与电极表面的作用方式和强度不同;同时,OMIPF₆较粘稠,其热运动受温度的影响不甚敏感.     

甘氨酸修饰的Pt(111)电极上的氧还原

利用单晶旋转圆盘电极技术（Hanging Meniscus Rotating Disk Electrode,　HMRD）在硫酸和高氯酸溶液中分别研究了甘氨酸修饰的Pt(111)电极表面氧分子的电催化还原反应. 实验发现：在硫酸溶液中,经甘氨酸修饰的Pt(111)电极表面的氧还原活性明显提高,其中氧还原的半波电位与Pt(111)电极的相比正移约0.1 V,而在高氯酸溶液中,甘氨酸修饰的Pt(111)电极的活性几乎没有发生变化. 该实验结果表明：甘氨酸修饰的Pt(111)电极一方面抑制了SO₄^2-在电极表面的吸附,另一方面又能在电极表面提供相邻的空位供氧分子吸附. 通过与文献中报道的CN^-修饰的Pt(111)电极上的氧还原结果的对比,可以推测甘氨酸修饰的Pt(111)电极表面氧还原活性提高是由于甘氨酸在Pt(111)表面可能先被氧化成CN^-后吸附在电极表面,进而促进了氧分子的电催化还原反应.     

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.     

Sb在Cu单晶电极上欠电位沉积的电化学和现场STM研究

应用循环伏安法和现场扫描隧道显微镜研究了在HClO4和H2SO4两种溶液中Sb于Cu(111)和Cu(100)电极上的欠电位沉积.结果表明,不同的表面原子排列和强吸附阴离子的存在将明显影响Sb的欠电位沉积行为.在结构较为开放的Cu(100)表面,Sb形成的欠电位沉积层结构也较为开放,并且伴随着表面合金的形成;而在密堆积的Cu(111)表面上,Sb形成了致密的单层结构.又当Cu(111)表面存在强吸附的SO42-时,Sb原子首先在SO42-吸附层与Cu表面交接的新台阶处成核,随后通过取代SO42-向上一层晶面发展,表现出独特的成核—生长行为;而在弱吸附的HClO4溶液中,Sb的欠电位沉积系以在晶面上随机形成一些单原子层高度的Sb岛为特征.在Cu(100)表面,通过SO42-的诱导共吸附,欠电位沉积的Sb原子形成了开放性更大的(4×4)结构,不同于在HClO4溶液中所形成的(22×22)R45°结构.     

贵金属原子在CeO2(111)表面吸附的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论系统研究了贵金属原子(Au、Pd、Pt和Rh)在CeO₂(111)表面的吸附行为。结果表明,Au吸附在氧顶位最稳定,Pd、Pt倾向吸附于氧桥位,而Rh在洞位最稳定。当金属原子吸附在氧顶位时,吸附强度依次为Pt > Rh > Pd > Au。Pd、Pt与Rh吸附后在Ce 4f、O 2p电子峰间出现掺杂峰;Au未出现掺杂电子峰,其d电子峰与表面O 2p峰在-4～-1 eV重叠。态密度分析表明,Au吸附在氧顶位、Pd与Pt吸附在桥位、Rh吸附在洞位时,金属与CeO₂(111)表面氧原子作用较强,这与Bader电荷分析结果相一致。     

噻吩在M(111)(M=Pd,Pt,Au)表面的吸附(英文)

采用密度泛函理论(DFT),选取DMol3程序模块,对噻吩在M(111)(M=Pd,Pt,Au)表面上的吸附行为进行了探讨.通过对噻吩在不同底物金属上的吸附能、吸附构型、Mulliken电荷布居、差分电荷密度以及态密度的分析发现,噻吩在Pd(111)面上的吸附能最大,Pt(111)面次之,Au(111)面最小.吸附后,噻吩在Au(111)面上的构型几乎保持不变,最终通过S端倾斜吸附于top位;噻吩在Pd(111)及Pt(111)面上发生了折叠与变形,环中氢原子向上翘起,最终通过环平面平行吸附于hollow位.此外,噻吩环吸附后芳香性遭到了破坏,环中碳原子发生sp3杂化,同时电子逐渐由噻吩向M(111)面发生转移,M(111)面上的部分电子也反馈给了噻吩环中的空轨道,这种协同作用最终导致了噻吩分子稳定吸附于M(111)面.     

Pt(100)/离子液体OMIPF6界面结构的STM研究

本文运用电化学扫描隧道显微术研究了离子液体OMIPF₆中Pt（100）表面结构在电化学双层区随电极电位的变化. OMI⁺阳离子在Pt（100）表面形成有序吸附结构,并且在约1.2 V宽的电位区间内稳定地存在Pt（100）表面。在电位负于-0.6 V时,有序吸附结构会发生向无序吸附结构的转变. 在电位正于+0.6 V时,较强的静电排斥力才能克服OMIPF₆与Pt（100）表面之间的化学作用,从而导致OMI+阳离子的脱附. 研究表明,OMI+阳离子具有的较长烷基侧链与Pt金属产生的较强化学相互作用是影响该Pt（100）/ OMIPF6界面结构的重要因素.     

Au(111)电极上CTAB吸脱附过程的循环伏安研究

本文运用循环伏安方法研究十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)在Au(111)电极上的吸附行为. 首次给出CTAB在Au(111)电极上的循环伏安曲线,其0.18 V、0.27 V有两对可逆的特征电流尖峰,均受扩散控制,且与卤素离子种类有关. 研究表明,烷基铵阳离子的吸脱附及吸附层相转变与Au(111)电极表面结构密切相关.     

Electrocatalytic oxidation of formic acid and methanol on Pt deposits on Au(111)

This work presents characteristics of Pt deposits on Au(111) obtained by the use of spontaneous deposition and investigated by electrochemical scanning tunneling microscopy (EC-STM). On such prepared and STM characterized Au(111)/Pt surfaces, we studied electrocatalytic oxidation of formic acid and methanol. We show that the first monatomic layer of Pt displays a (square root 3 x square root 3)R30 degrees surface structure, while the second layer is (1 x 1). After prolonged deposition, multilayer Pt deposits are formed selectively on Au(111) surface steps and are 1-20 nm wide and one to five layers thick. On the optimized Au(111)/Pt surface, formic acid oxidation rates are enhanced by a factor of 20 compared to those of pure Pt(111). The (square root 3 x square root 3)R30 degrees-Pt yields very low methanol oxidation rates, but the rates increase significantly with further Pt growth.     

New insights on the Cd UPD on Au(111)

The Cd underpotential deposition (UPD) process on Au(111) was analyzed by means of combined electrochemical measurements and in situ scanning tunneling microscopy (STM). In the underpotential range 300?ΔE (mV) ?400, 2D Cd islands are formed on the fcc regions of the Au(111)‐(√3 × 22) reconstructed surface without lifting the reconstruction. At lower underpotentials, the 2D Cd islands grow and, simultaneously, new 2D islands nucleate and coalesce with the previous ones forming a complete condensed Cd monolayer (ML). STM images and long time polarization experiments performed at ΔE = 70 mV demonstrate the formation of an Au? Cd surface alloy. At ΔE = 10 mV, the formation of the complete Cd ML is accompanied by a significant Au? Cd surface alloying and the kinetic results reveal two different solid‐state diffusion processes. The first one, with a diffusion coefficient D₁ = 4 × 10^?17 cm² s^?1, could be ascribed to the mutual diffusion of Au and Cd atoms through a highly distorted (vacancy‐rich) Au? Cd alloy layer. The second and faster diffusion process (D₂ = 7 × 10^?16 cm² s^?1) is associated with the appearance of an additional peak in the anodic stripping curves and could be attributed to the formation of another Cd_zAu_x alloy phase. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

噻吩在M(111)(M=Pd,Pt, Au)表面的吸附

采用密度泛函理论(DFT), 选取DMol³程序模块, 对噻吩在M(111) (M=Pd, Pt, Au)表面上的吸附行为进行了探讨. 通过对噻吩在不同底物金属上的吸附能、吸附构型、Mulliken 电荷布居、差分电荷密度以及态密度的分析发现, 噻吩在Pd(111)面上的吸附能最大, Pt(111)面次之, Au(111)面最小. 吸附后, 噻吩在Au(111)面上的构型几乎保持不变, 最终通过S端倾斜吸附于top 位; 噻吩在Pd(111)及Pt(111)面上发生了折叠与变形, 环中氢原子向上翘起, 最终通过环平面平行吸附于hollow 位. 此外, 噻吩环吸附后芳香性遭到了破坏, 环中碳原子发生sp³杂化, 同时电子逐渐由噻吩向M(111)面发生转移, M(111)面上的部分电子也反馈给了噻吩环中的空轨道, 这种协同作用最终导致了噻吩分子稳定吸附于M(111)面.     

Pb deposition on I-coated Au(111). UHV-EC and EC-STM studies

This article concerns the growth of an atomic layer of Pb on the Au(111)( radical3 x radical3)R30 degrees -I structure. The importance of this study lies in the use of Pb underpotential deposition (UPD) as a sacrificial layer in surface-limited redox replacement (SLRR). SLRR reactions are being applied in the formation of metal nanofilms via electrochemical atomic layer deposition (ALD). Pb UPD is a surface-limited reaction, and if it is placed in a solution of ions of a more noble metal, redox replacement can occur, but limited by the amount of Pb present. Pb UPD is a candidate for use as a sacrificial layer for replacement by any more noble element. It has been used by this group for both Cu and Pt nanofilm formation using electrochemical ALD. The I atom layer was intended to facilitate electrochemical annealing during nanofilm growth. Two distinctly different Pb atomic layer structures are reported, studied using in situ scanning tunneling microscopy (STM) with an electrochemical flow cell and ultrahigh vacuum surface analysis combined directly with electrochemical reactions (UHV-EC). Starting with the initial Au(111)( radical3 x radical3)R30 degrees -I, 1/3 monolayer of I on the Au(111) surface, Pb deposition began at approximately 0.1 V. The first Pb UPD structure was observed just below -0.2 V and displayed a (2 x radical3)-rect unit cell, for a structure composed of 1/4 monolayer each of Pb and I. The I atoms fit in Pb 4-fold sites, on the Au(111) surface. The structure was present in domains rotated by 120 degrees. Deposition to -0.4 V resulted in complete loss of the I atoms and formation of a Pb monolayer on the Au(111), which produced a Moiré pattern, due to the Pb and Au lattice mismatch. These structures represent two well-defined starting points for the growth of nanofilms of other more noble elements. It is apparent from these studies that the adsorption of I- on Pb is weak, and it will rinse away. If Pb is used as a sacrificial metal in an electrochemical ALD cycle and adsorbed I atoms are employed for electrochemical annealing, I atoms will need to be applied each cycle.     

Hydration processes of electrolyte anions and cations on pt(111), Ir(111), Ru(001) and Au(111) surfaces: coadsorption of water molecules with electrolyte ions

Water adsorption on Pt( 111) and Ru(001) treated with oxygen, hydrogen chloride and sodium atom at 20 K has been studied by Fourier transform infrared spectroscopy, scanning tunneling microscopy and surface X-ray diffraction. Water molecules chemisorb predominantly on the sites of the electronegative additives, forming hydrogen bonds. Three types of hydration water molecules coordinate to an adsorbed Na atom through an oxygen lone pair. In contrast, water molecules adsorb on electrode surfaces in a simple way in solution. In 1 mM CuSO4 + 0.5 M H2SO4 solution on an Au(111) electrode surface, water molecules coadsorb not only with sulfuric acid anions through hydrogen bonding but also with copper, over wide potential ranges. In the first stage of underpotential deposition (UPD), each anion is accommodated by six copper hexagon (honeycomb) atoms on which water molecules dominate. At any UPD stage water molecules interact with both the copper atom and sulfuric acid anions on the Au(111) surface. Water molecules also coadsorb with CO molecules on the surface of 2 x 2-2CO-Ru(001). All of the hydration water molecules chemisorb weakly on the surfaces. There appears to be a correlation between the orientation of hydrogen bonding water molecules and the electrode potential.     

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。