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氧化铁表面

添加时间: 2017/09/06   Read:208  Font size: Large Small

回顾了目前关于氧化铁,磁铁矿(Fe3O4),磁赤铁矿(γ-Fe2O3),赤铁矿(α-Fe2O3)和钨铁矿(Fe1-xO)表面的知识现状。本文首先介绍了氧化铁表面发挥重要作用的应用,包括腐蚀,催化,自旋电子学,磁性纳米颗粒(MNPs),生物医学,光电化学水分解和地下水修复。然后简要介绍散装结构和性质;每种化合物都是基于紧密堆积的阴离子晶格,在间隙位置中Fe阳离子的分布和氧化状态不同。散装缺陷化学主要由阳离子空位和间隙(而不是氧空位)所主导,这提供了理解氧化铁表面的背景,氧化铁表面代表还原和氧化过程的前沿。 Fe响应于O2化学势而扩散进入和离开本体,在表面形成有时复杂的中间相。例如,α-Fe2O3在还原条件下采用Fe3O4样表面,Fe3O4在还原条件下还采用Fe1-xO样结构。有人认为,已知的体积缺陷结构是构建氧化铁表面模型的出发点。

氧化铁低折射率表面的原子尺度结构是本次审查的重点。 Fe3O4是表面科学中研究最多的氧化铁,主要是因为其稳定性范围很好地对应于超高真空环境。它也是一个电导体,这使得直接研究最常用的表面科学方法,如光电子发射光谱(XPS,UPS)和扫描隧道显微镜(STM)。讨论了表面对磁性,Verwey过渡和(预测)半金属度等体积性质测量的影响。

目前最了解的氧化铁表面可能是Fe3O4(100);该结构以高精度已知,并且主要缺陷和性能被良好表征。一个主要的因素是,Feoct-O平面上的终端可以通过各种方法重复制备,只要表面在制备的最后阶段在10-7-10-5毫巴O2中退火即可。单相端接的这种简单的制备通常不是氧化铁表面的情况。所有现有证据表明,在最外层单元电池中阳离子晶格的重新排列得到研究(√2×√2)R45°重建,其中两个八面体阳离子由一个四面体间隙代替,在Fe1-xO中已知的Koch-Cohen缺陷。阳离子缺陷导致Fe11O16化学计量,这与超高真空(UHV)中的化学势相一致,其接近于Fe 3 O 4和Fe 2 O 3相之间的边界。

Fe3O4(111)表面也受到很多研究,但是两个不同的表面终端存在于能量接近并且可以共存,这使得样品制备和数据解释有些棘手。当样品边缘变小时,Fe3O4(100)和Fe3O4(111)表面均表现出富铁终止。 Fe3O4(110)表面形成与纳米孔连接的一维(1×3)重建,其暴露出更稳定的Fe 3 O 4(111)表面。 α-Fe2O3(0001)是研究最多的赤铁矿表面,但在UHV条件下制备化学计量曲面的困难阻碍了结构的确定性。有证据表明至少有三个终端:氧平面上的块状终止,阳离子层的一半终止,和具有铁基的终止。当表面减小时,形成所谓的“双相”结构,最终转变为Fe 3 O 4(111)样终止。双相表面的结构是有争议的;近来,一个被广泛接受的Fe1-xO和α-Fe2O3(0001)岛共存模型受到挑战,提出了一种基于α-Fe2O3(0001)上的Fe3O4(111)薄膜的新结构。讨论竞争模型的优点。推荐使用α-Fe2O3(11¯02)“R切割”表面作为未来研究的良好前景,因为其易于制备及其在纳米材料中的流行性。

在后面的部分,回顾了关于氧化铁吸附的文献。首先,讨论了分子(H 2,H 2 O,CO,CO 2,O 2,HCOOH,CH 3 OH,CCl 4,CH 3 I,C 6 H 6,SO 2,H 2 S,乙苯,苯乙烯和Alq 3)的吸附,使用氧化铁作为催化剂的反应(水煤气变换,费 - 托,乙苯脱氢为苯乙烯)或催化剂载体(CO氧化)。描述了氧化铁表面与金属的已知相互作用,并且显示出行为由金属与氧化铁形成稳定的三元相来确定。 (Ni,Co,Mn,Cr,V,Cu,Ti,Zr,Sn,Li,K,Na)中的那些(例如Au,Pt,Ag,Pd)优选形成三维粒子,Ca,Rb,Cs,Mg,Ca)掺入氧化物晶格内。掺入温度随着最稳定金属氧化物形成的热量而变化。特别努力强调在Fe3O4表面上分离金属吸附原子的非常热稳定性的机理,并讨论了该模型系统理解单原子催化和亚纳米簇催化的潜在应用。审查结束于一个简要的总结,并提供了一个观点,包括未来研究的激动人心的线。

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