《ZnO模型催化體系表面化學的STM研究》是依託中國科學技術大學，由邵翔擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：ZnO模型催化體系表面化學的STM研究
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：邵翔
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
ZnO在光電、感測、能源及催化方面套用廣泛，是以合成氣為原料製備甲醇的重要催化劑，對碳基能源轉化問題中所涉及的各種小分子的活化轉化有著重要催化作用。然而ZnO表面相關催化反應的基元過程和反應機制仍很不清楚，嚴重缺乏分子層面的直接研究。本項目旨在利用低溫掃描隧道顯微鏡的超高空間分辨和電子結構探測能力，以原子級平整且穩定的ZnO(10-10)面為研究對象，直接從原子分子水平研究包括甲醇合成及分解、CO2活化轉化等過程中所涉及的各種小分子及活性金屬的吸附和反應等。項目中將特別關注ZnO單晶表面各種缺陷的結構和物理化學性質。同時將嘗試在金屬襯底上製備同一取向的ZnO單晶化薄膜，探索通過控制表界面的結構、組成、缺陷、摻雜、膜厚等實現對ZnO薄膜表面化學的調控。通過比較研究單晶與薄膜體系的異同，深入認識ZnO模型體系表面反應的構效關係，最終為設計基於ZnO的新型碳基能源催化體系提供思路。
結題摘要
在本項目中我們充分認識到半導體氧化物材料在碳基小分子轉化利用過程中的關鍵性作用，關於其表面性質及分子過程的研究將對深入認識碳基能源轉化利用的作用機制、設計及製備新型高效的催化劑起到推動作用。故此，在碳基能源重大研究計畫的框架之下，有針對性的選擇研究ZnO這一關鍵材料及其最穩定且分布最廣之(10-10)表面，以表面化學的視角從原子分子水平對其表面結構及分子的吸附活化等過程進行詳細研究。在項目執行過程中，我們充分發揮了低溫掃描探針顯微技術的特長，獲得了ZnO(10-10)清潔表面的原子分辨圖像，同時對其表面電子性質也進行了初步的探索，證明了氧缺陷在高溫條件下的不穩定性並提出利用甲醛還原表面可控制備氧缺陷的方法。在此基礎上，我們利用原位吸附與表征、溫度控制和暴露量控制等實驗方法，系統的研究了CO、CO2、H2、H2O、CH3OH、HCHO等合成氣轉化過程中的反應物及產物小分子在ZnO(10-10)表面的吸附行為，從原子層面上揭示了各種分子與ZnO表面相互作用的細節。研究發現這些分子中CO與ZnO表面的作用最弱，不但始終保持分子型吸附，且在液氮溫度仍然不斷在表面擴散；而H2則可以在極低溫度下在ZnO表面實現異裂吸附並形成氫原子鏈結構；其他的如CO2、H2O、CH3OH、HCHO等均以較強的化學鍵與表面作用，並主要以分子態形式吸附在表面。在研究的所有分子中只有CH3OH和HCHO在升溫脫附時會發生一定程度的反應，其他分子在脫附時均保持分子狀態。這些研究結果為深入認識合成氣轉化及甲醇分解等反應機制提供重要信息。在本項目中我們還初步探索了金、銅等金屬在ZnO表面的生長行為，發現可以通過小分子吸附修飾表面進而調控其生長行為及熱穩定性能等。另外，我們還發展了化學氣相沉積的方法，在ZnO單晶及微晶表面實現了石墨烯等二維材料的直接生長，並利用其調控表面性質。以上這些研究結果實現了本項目申請之初的設計目標，與本重大研究計畫關於碳基能源轉化的關鍵科學問題緊密相關，相信能夠為本重大研究計畫的後續研究工作及最終獲得成功提供幫助。
