Oxidation of some Late Transition Metal Surfaces: Structural Studies from UHV to Atmospheric Pressure

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Så gott som alla metaller reagerar vid normala omständigheter med syret i luften och oxideras, vilket förändrar materialets egenskaper. T.ex. rostar järn efter hand, något som alla bilägare är bittert medvetna om. Oxider behöver dock inte vara negativa, utan kan även fungera som barriärer mot fortsatt korrosion, isolerande skikt i mikroelektronikkomponenter m.m. Följaktligen är intresset för oxider och dess egenskaper stort. Växelverkan mellan syre och övergångsmetaller är speciellt intressant eftersom den är avgörande för funktionen hos många katalysatorer. Det mest välkända exemplet är bilkatalysatorn som bl.a. har i uppgift att rena avgaserna genom att påskynda reaktionen mellan giftigt kolmonoxid och syre till mindre farligt koldioxid. Denna reaktion är alltid fördelaktig, men hindras av att syreatomerna kommer parvis i form av molekyler. I samband med att syre fastnar på en metallyta, kan molekylerna dela upp sig i enstaka atomer och därmed påskyndas omvandlingen av kolmonoxid till koldioxid. Tyvärr är detta inte hela sanningen. T.ex. kan reaktionen mellan metallen och syret resultera i olika oxidstrukturer som förändrar den katalytiska aktiviteten. Då man i de allra flesta fall inte vet exakt hur katalysatorerna fungerar på en atomär nivå, är det dock okänt hur aktiviteten påverkas. Kunskap om dessa detaljer är av yttersta vikt för utvecklingen av nya katalysatorer. Ett viktigt steg mot att förklara katalys på atomär nivå är att bestämma strukturen hos katalysatorn under relevanta förhållanden. Tidigare har studier av växelverkan mellan syre och metallytor huvudsakligen skett under väldigt specialiserade förhållanden i form av perfekta plana ytor och ultrahögt vakuum (UHV). Dessa studier har resulterat i en detaljerad förståelse för den inledande reaktionen mellan syre och så gott som alla metaller, men skillnaden mellan dessa förhållanden och de där riktiga katalysatorer verkar, är stora. Målet med studierna i den här avhandlingen är att beskriva de olika oxidstrukturer som bildas på övergångsmetaller vid syretryck mellan UHV och atmosfäriskt tryck. Vid medelhöga tryck har vi påvisat flertalet en- och tvådimensionella oxidstrukturer och bestämt dess geometriska struktur, vilken ofta skiljer sig från den hos vanliga tredimensionella (bulk-)oxider. Genom att öka trycket ytterligare har vi kunnat konstatera att de två-dimensionella s.k. ytoxiderna är betydligt stabilare än vad teoretiska metoder kunnat förutsäga, och de verkar hindra bildandet av tjockare bulkoxider. För att undersöka hur oxidationen påverkar den katalytiska aktiviteten, har vi studerat reaktionen mellan två av dessa oxidstrukturer och kolmonoxid. I båda fallen ser vi en ökad aktivitet för den oxiderade än den metalliska ytan. Detta är tvärt emot vad många tidigare trott, men får stöd av flertalet nyare studier. Oxidstrukturerna ovan är väldigt komplicerade och för att kunna bestämma deras strukturer har vi använt oss av en kombination av flera experimentella metoder ? högupplöst fotoelektronspektroskopi, diffraktion av lågenergetiska elektroner, röntgendiffraktion och sveptunnelmikroskopi ? samt beräkningar baserade på täthetsfunktionalteori.