二氧化碳活化的模型体系研究

二氧化碳（CO2）是造成温室效应的主要气体，如何将其变废为宝实现合理利用是关系国计民生的一大课题。鉴于实际催化的复杂多变性，利用模型体系研究CO2的活化过程和活化机理具有重要的科学意义和实用价值。本项目建立在项目课题组所进行的一系列Pt-Fe双金属催化体系的研究结果上，利用Pt-Fe体系具有的丰富表面结构实现CO2的高效活化。进一步尝试非贵金属的催化体系，实现低能耗、高效率的活化过程。同时利用各种表面分析手段，研究其表面物理化学性质和催化性能，在原子分子尺度理解纳米催化体系结构与性能的关系，探讨CO2的活化机理，为高效实际催化剂的合理设计提供基础。

利用表面科学手段研究氧化物-金属反转模型体系有助于更好地理解金属-氧化物界面效应以及界面处发生的化学吸附/解离等过程。本报告首先利用扫描隧道显微镜（STM）和X-射线光电子能谱（XPS）表征了FeO纳米岛在Au(111)，Pt(111)和石墨烯三种衬底上的生长与氧化行为。Au(111)和Pt(111)都可以作为衬底稳定二维FeO纳米岛的结构。但是在同样的温度与氧压条件下，Au(111)表面生成的氧化铁价态更高，反映了Pt(111)与FeO之间存在更强的界面相互作用，密度泛函理论计算（DFT）表明强相互作用来源于Fe与衬底Pt之间很强的轨道杂化。超高真空和高压下的氧化实验表明，Au(111)与FeO之间较弱的界面相互作用使得Au(111)表面的FeO更易被氧化，且被氧化至更高的价态。另一部分工作是利用高分辨的低温STM技术，考察了Pt上FeO纳米岛的边界结构，以及其边界吸附/解离氧气和二氧化碳的过程。生长得到的FeO纳米岛边界为Fe-终止，纳米岛边界存在8个原子为一个周期的凹陷结构，起因于边界Fe原子位置的优化。在低温78 K暴露氧气分子，STM可以原位观察到O2在岛边界的直接解离，形成边界O原子吸附的纳米岛。在78 K暴露二氧化碳分子，STM原位观察到了CO2分子在边界的吸附，其排列方式完全匹配FeO纳米岛的晶格取向。高分辨电子能量损失谱（HR-EELS）考察了CO2分子可能的吸附构型以及脱附温度，225 K时发生脱附；300 K时，吸附的二氧化碳分子完全脱附。