Advanced

Structure and reactivity of surface oxides on Cu(100)

Hagman, Benjamin LU (2016) FYSM60 20161
Synchrotron Radiation Research
Department of Physics
Abstract
Adsorption of oxygen onto Cu(100) leads to formation of a well-ordered surface structure known as the `missing row' (MR) reconstruction. The aim of the work described in this thesis was to characterize the chemical properties of this MR structure, which serves as a well-defined analogue for oxidized copper surfaces used in catalysis for CO2 hydrogenation. Specifically, the interaction of CO2 with the MR structure has been studied and compared measurements on the bare Cu(100) surface and on a partially-reduced MR surface prepared by exposure to H2.

The results show that the reduction of the MR structure initially takes place at the lower terraces adjacent to step edges and at defects, producing a new phase which appears to have an... (More)
Adsorption of oxygen onto Cu(100) leads to formation of a well-ordered surface structure known as the `missing row' (MR) reconstruction. The aim of the work described in this thesis was to characterize the chemical properties of this MR structure, which serves as a well-defined analogue for oxidized copper surfaces used in catalysis for CO2 hydrogenation. Specifically, the interaction of CO2 with the MR structure has been studied and compared measurements on the bare Cu(100) surface and on a partially-reduced MR surface prepared by exposure to H2.

The results show that the reduction of the MR structure initially takes place at the lower terraces adjacent to step edges and at defects, producing a new phase which appears to have an amorphous structure. XPS results show a new oxygen species appearing upon reduction, which is attributed to this new structure. The XPS data further show that CO2 sticks more strongly on the oxygen-rich surfaces than on clean Cu(100), though CO2 adsorbs dissociatively on clean Cu(100) and the reduced MR surface, but not on the pure MR structure. Preliminary catalytic tests using an in-situ flow reactor showed conversion of CO2 to CO above 650 C, although the signal was weak. These results demonstrate the feasibility of further experiments using this cell for in-situ surface x-ray diffraction experiments to be conducted in the future. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Sedan den industriella revolutionen har koncentrationen av koldioxid, CO2, i atmosfären ökat kraftigt och fortsätter att öka. Den ökande CO2-halten förväntas höja den globala temperaturen genom växthuseffekten, vilket i sin tur kan leda till en oönskad klimatförändring. Det finns flera metoder för att minska problemet. Istället för fossila bränslen så kan förnybar energi, som sol-, vind- och vattenkraft, användas. Det går också att fånga och lagra CO2. De här båda metoderna används redan men resultatet är inte tillräckligt.

Ett alternativ är att återvinna kolet i CO2 för att producera andra kolbaserade kemikalier. Exempelvis kan CO2 med hjälp av hydrering bilda olika typer av kolväten som i sin tur kan användas som bränsle. Den omvända... (More)
Sedan den industriella revolutionen har koncentrationen av koldioxid, CO2, i atmosfären ökat kraftigt och fortsätter att öka. Den ökande CO2-halten förväntas höja den globala temperaturen genom växthuseffekten, vilket i sin tur kan leda till en oönskad klimatförändring. Det finns flera metoder för att minska problemet. Istället för fossila bränslen så kan förnybar energi, som sol-, vind- och vattenkraft, användas. Det går också att fånga och lagra CO2. De här båda metoderna används redan men resultatet är inte tillräckligt.

Ett alternativ är att återvinna kolet i CO2 för att producera andra kolbaserade kemikalier. Exempelvis kan CO2 med hjälp av hydrering bilda olika typer av kolväten som i sin tur kan användas som bränsle. Den omvända vattengasskiftsreaktionen, CO2+H2→CO+H2O, har visat sig vara lovande som första steg i processen. Den omvända vattengasskiftsreaktionen sker närhelst CO2 och H2 är närvarande men genom att använda sig av en katalysator (en katalysator är en substans som påskyndar processen utan att förbrukad) så kan den kemiska processen få en aktivitet som är lämpad för industriella applikationer.

Koppar har visat sig vara en bra katalysator för den omvända vattengasskiftsreaktionen. Men en fundamental förståelse för hur processen på kopparkatalysatorn saknas. För att förstå katalytiska processer så studerar man inom ytfysiken väldefinierade ytor som modellsystem. I det här examensarbetet så har Cu(100) ytans studeras. När Cu(100) utsätts för syre så bildas en ”missing row”-struktur som illustreras i bilden nedan (de gråa bollarna är kopparatomer medan de röda bollarna är syreatomerna). I detta projekt så har reduceringen av ”missing row”-strukturen med H2 studeras med sveptunnelmikroskopi. Vidare har växelverkan mellan CO2 och den rena Cu(100) ytan, ”missing row”-strukturen och den reducerade ytan studerats med röntgenfotoelektronspektroskopi. Målet är att studera vad syret på Cu(100) spelar för roll i den omvända vattengasskiftsreaktionen.
Resultatet visar att reduceringen av ”missing row”-strukturen sker vid atomstegen och vid defekter på Cu(100) ytan. De områden som blivit reducerade av H2 verkar vara amorfa i sin strukturer, och det finns starka indikationer på att där fortfarande finns en del syre. Resultatet visar också att CO2 fastnar bättre på en syreberikad Cu(100) yta. Samtidigt verkar metallisk Cu behövas för att dissociera CO2 till CO. Detta innebär att en delvis syretäckt Cu-yta är fördelaktigt för den omvända vattengasskiftsreaktionen. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Hagman, Benjamin LU
supervisor
organization
course
FYSM60 20161
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Cu(100), STM, Missing row reconstruction, XPS, Reverse water-gas shift
language
English
id
8887455
date added to LUP
2016-08-10 11:56:05
date last changed
2016-08-10 11:56:05
@misc{8887455,
  abstract     = {Adsorption of oxygen onto Cu(100) leads to formation of a well-ordered surface structure known as the `missing row' (MR) reconstruction. The aim of the work described in this thesis was to characterize the chemical properties of this MR structure, which serves as a well-defined analogue for oxidized copper surfaces used in catalysis for CO2 hydrogenation. Specifically, the interaction of CO2 with the MR structure has been studied and compared measurements on the bare Cu(100) surface and on a partially-reduced MR surface prepared by exposure to H2.

The results show that the reduction of the MR structure initially takes place at the lower terraces adjacent to step edges and at defects, producing a new phase which appears to have an amorphous structure. XPS results show a new oxygen species appearing upon reduction, which is attributed to this new structure. The XPS data further show that CO2 sticks more strongly on the oxygen-rich surfaces than on clean Cu(100), though CO2 adsorbs dissociatively on clean Cu(100) and the reduced MR surface, but not on the pure MR structure. Preliminary catalytic tests using an in-situ flow reactor showed conversion of CO2 to CO above 650 C, although the signal was weak. These results demonstrate the feasibility of further experiments using this cell for in-situ surface x-ray diffraction experiments to be conducted in the future.},
  author       = {Hagman, Benjamin},
  keyword      = {Cu(100),STM,Missing row reconstruction,XPS,Reverse water-gas shift},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Structure and reactivity of surface oxides on Cu(100)},
  year         = {2016},
}