Advanced

X-Ray Photoelectron Spectroscopy Study of Styrene Oxidation

Johansson, Niclas LU (2010) FYSK01 20101
Department of Physics
Abstract
Silver has been proved as a heterogeneous catalyst for styrene epoxidation via detection of reaction fragments. After dosing styrene to the surface, reaction fragments were identified by comparing with literature values. The fragments were the oxametallacycle of styrene, carboxylic groups, benzene, and carbon residuals. The used surface were composed of a Pt(111) substrate, a one monolayer thick FeO(111) film, and oxidized Ag clusters. It was found that x-ray photoelectron spectroscopy alone is not sufficient to fully investigate the reaction. In this work the basic theory is given, the experimental methods and setup are described in some detail.
Abstract (Swedish)
Inom industrin används diverse katalysatorer för att påskynda reaktioner. En av dessa reaktioner är etenoxidationen. Även om etenoxidationen är en välanvänd reaktion så är de bakomliggande mekanismerna okända. För att fullt ut förstå reaktionen krävs förståelse för reaktionsvägarna samt
reaktionsfragmenten. Olika ytor påverkar reaktioner på olika sätt och det är därför viktigt att hitta en katalysator som är anpassad just för den eftersökta reaktionsprodukten. Målet med detta projekt var att studera hur silveroxidkluster oxiderade styren. Styren har använts istället för eten pga. att eten binder svagt till silver vid lågt tryck. Det har visat sig att styrenoxidationen fungerar bra som modell för etenoxidationen. Dessutom är... (More)
Inom industrin används diverse katalysatorer för att påskynda reaktioner. En av dessa reaktioner är etenoxidationen. Även om etenoxidationen är en välanvänd reaktion så är de bakomliggande mekanismerna okända. För att fullt ut förstå reaktionen krävs förståelse för reaktionsvägarna samt
reaktionsfragmenten. Olika ytor påverkar reaktioner på olika sätt och det är därför viktigt att hitta en katalysator som är anpassad just för den eftersökta reaktionsprodukten. Målet med detta projekt var att studera hur silveroxidkluster oxiderade styren. Styren har använts istället för eten pga. att eten binder svagt till silver vid lågt tryck. Det har visat sig att styrenoxidationen fungerar bra som modell för etenoxidationen. Dessutom är styrenoxidation i sig självt en välanvänd reaktion vilket
gör den än mer lämpad som substitut. Styren är ett etenmolekylderivat med en väteatom ersatt av en bensenring.

I denna studie har röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) använts, vilket gör det svårt att använda eten då ultrahögvakuum (UHV) krävs. Den använda katalysatorn bygger på en platinayta där en tunn film av järnoxid har växts fram. Ovanpå järnoxidfilmen har silver deponerats och oxiderats.
Ett järnoxidlager som enbart är ett monolager tjockt reagerar inte med styren. Detta betyder att den eftersökta reaktionen koncentreras till silveroxidklustren.

Genom att använda XPS utförs mätningar på den elektroniska strukturen av ämnen bundna till ytan. Röntgenstrålning skickas på molekylerna så att elektroner emitteras. Om elektronernas kinetiska energi mäts så kan man ta reda på vilken bindningsenergi de hade i provet, förutsatt att foton-
energin är känd. De lågt liggande elektronskalen deltar inte vid formationen av molekyler/fasta material, men de blir påverkade. Påverkan på de lågt liggande nivåerna yttras i ett kemiskt skifte. Det kemiska skiftet beror på vad atomen är bunden till, vilket gör det möjligt att identifiera olika sorters molekyler innehållande samma sorts atomer.

XPS på Ag 3d visade att styren hade bundit till de oxiderade Ag-klustren. C 1s-spektra visade tre olika toppar, vilket betyder att kolet i styren har bundit på tre olika sätt. Genom att värma ytan tillförs energi vilket i sin tur kan leda till att molekyler desorberar, dvs. lämnar ytan, eller att molekylerna omformas. Jämförelse med litteratur visade att det fanns bensen, karboxylgrupper, en oxametallacykel samt överblivet kol på ytan. Efter att temperaturen hastigt höjts till 701 K, en s.k. flash, fanns det enbart bensen, karboxyl och överblivet kol kvar på ytan.

Eftersom XPS enbart kan se vad som finns bundet på ytan så har inte styrenoxid detekterats. Dock har de fragment som har visat sig uppkomma vid styrenoxidation hittats. Från detta kan man anta att styren har oxiderats och den använda ytan har därmed bevisats fungera som katalysator för styrenoxidation. För att definitivt kunna säga att styren har oxiderats behövs en komplementerande metod, förslagsvis högtrycks-XPS (HPXPS). Användandet av HPXPS skulle möjliggöra detektion av gasmolekyler samt studier av reaktionen vid mer normala tryck. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Johansson, Niclas LU
supervisor
organization
course
FYSK01 20101
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
Styrene, Pt(111), XPS, FeO, Sljus
language
English
additional info
This work was conducted at the Division of synchrotron Radiation research, Deparment of Physics, Lund university.
id
2861369
date added to LUP
2012-08-14 13:32:29
date last changed
2012-08-14 13:32:29
@misc{2861369,
  abstract     = {Silver has been proved as a heterogeneous catalyst for styrene epoxidation via detection of reaction fragments. After dosing styrene to the surface, reaction fragments were identified by comparing with literature values. The fragments were the oxametallacycle of styrene, carboxylic groups, benzene, and carbon residuals. The used surface were composed of a Pt(111) substrate, a one monolayer thick FeO(111) film, and oxidized Ag clusters. It was found that x-ray photoelectron spectroscopy alone is not sufficient to fully investigate the reaction. In this work the basic theory is given, the experimental methods and setup are described in some detail.},
  author       = {Johansson, Niclas},
  keyword      = {Styrene,Pt(111),XPS,FeO,Sljus},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {X-Ray Photoelectron Spectroscopy Study of Styrene Oxidation},
  year         = {2010},
}