Příprava a charakterizace tenkých vrstev oxidu zirkonia na povrchu oxidu ceru

Abstract

Mixed ceria-zirconia oxides are important materials in heterogeneous catalysis due to the ability of cerium oxide to reversibly store and release oxygen. In this work, four model oxide layers were prepared on a Pt(111) substrate using physical vapor deposition and reactive deposition: an epitaxial CeO2(111) layer, two layers with different amounts of zirconium at the surface, and one layer with zirconium distributed throughout the bulk. The prepared surfaces were characterized using STM, XPS and LEED. The degree of reduction of cerium oxide was determined from the Ce 3d XPS spectra obtained during heating in a hydrogen atmosphere under low-pressure (1.5 × 10−7 mbar) and near-ambient pressure (0.5 mbar) conditions. The presence of zirconium was found to significantly enhance the reducibility of cerium oxide. The highest degree of reduction occurred in the sample with bulk-distributed zirconium despite its overall lower amount of zirconium than the sample with a high amount of surface zirconium. This suggests that the local availability of zirconium in the vicinity of cerium atoms is the key factor behind the increase in cerium oxide reducibility. Under elevated hydrogen pressure, substantial reduction occurred already at lower temperatures. The observed differences may be attributed to the formation of...

Směsné oxidy ceru a zirkonia patří mezi významné materiály heterogenní katalýzy díky schopnosti ceroxidu reverzibilně přijímat a uvolňovat kyslík. V práci byly na substrátu Pt(111) metodami vakuového a reaktivního napařování připraveny čtyři modelové vrstvy: epitaxní CeO2(111), dvě vrstvy s různým množstvím zirkonia na povrchu a vrstva s objemovým rozložením zirkonia. Připravené povrchy byly charakterizovány metodami STM, XPS a LEED. Míra redukce ceroxidu byla určována z XPS spekter Ce 3d získaných během ohřevu ve vodíkové atmosféře za podmínek nízkého tlaku (1,5 × 10−7 mbar) a téměř atmosférického tlaku (0,5 mbar). Bylo zjištěno, že přítomnost zirkonia redukci ceroxidu výrazně podporuje. Nejvyšší míry redukce dosáhl vzorek s objemovým rozložením zirkonia navzdory nižšímu celkovému obsahu zirkonia než vzorek s vysokým povrchovým pokrytím, což naznačuje, že rozhodujícím faktorem je lokální dostupnost zirkonia v okolí atomů ceru. Za zvýšeného tlaku vodíku docházelo k výrazné redukci již za nižších teplot; pozorované rozdíly lze vysvětlit tvorbou povrchových hydroxylových skupin a hydridů.