Příprava vzorků pro elektrochemické studium povrchů – transport vzorku mezi UHV a elektrochemickým prostředím

Abstract

Tato diplomová práce se zabývá výzkumem vybraných povrchů oxidů železa, konkrétně Fe3O4(001) and -Fe2O3(012). Použité výzkumné metody spojují tradiční techniky používáné v prostředí ultravysokého vakua (UHV) s technikami používanými v elektrochemickém (EC) prostředí. Současný stav poznání související s vybranými povrchy je stručně shrnut, je diskutována nutnost porozumět chování těchto materiálů také v elektrochemickém prostředí. V této práci je prezentován návrh a konstrukce systému pro transport vzorků z UHV do EC prostředí, jednotlivé konstrukční detaily jsou popsány a diskutovány. Vyvinutý systém je použit pro testování stability známé (2×2)R45° povrchové rekontrukce na Fe3O4(001). Zmíněná povrchová rekonstrukce je používaná jako substrát, který stabilizuje jednotlivé adsorbované atomy a zabraňuje jejich shlukování, což umožňuje zkoumat katalytické vlastnosti jednotlivých atomů. Experimentální část této práce ukazuje, že tato rekonstrukce je stabilní i v reálných podmínkách, přežije kontakt se vzduchem i vodou. Dále jsou v této práci prezentovány první obrázky povrchu -Fe2O3(012) pořízené rastrovacím tunelovacím mikroskopem (STM). Obě dosud známé povrchové rekonstrukce tohoto povrchu byly zobrazeny s atomárním rozlišením. Současný model (1×1) povrchu je touto prací potvrzen, pro (2×1) povrch prezentujeme nový povrchový model navrhnutý na základě pořízených STM obrázků. Dále byly provedeny studie adsorpce H2O a O2 na (2×1) rekonstruovaném povrchu pomocí časosběrného STM zobrazování.This thesis deals with the combined ultra-high vacuum (UHV) and electrochemical (EC) studies of selected iron oxide surfaces, namely Fe3O4(001) and -Fe2O3(012). The state-of- the-art knowledge regarding these surfaces is briefly reviewed, and importance of understanding these materials in the electrochemical environment is discussed. The design of the transfer system between UHV and EC environment is presented; individual features of the system are thoroughly discussed and the system is used for testing the stability of the Fe3O4(001) (2×2)R45° surface reconstruction in ambient conditions. The experimental results presented in this thesis show that the Fe3O4(001) (2×2)R45° reconstruction, utilized as an adatom array for single atom catalysis studies, survives both exposure to air and to liquid water, if the exposure is achieved in well-controlled fashion. Further, this thesis presents the first-ever atomic scale scanning tunneling microscopy (STM) study of the -Fe2O3(012) surface, which is important for photoelectrochemical water splitting. STM images of two surface reconstructions of the -Fe2O3(012) surface known to date are presented. A bulk terminated model of the (1×1) reconstruction is confirmed and a novel surface structure model for the (2×1) reconstructed surface is proposed. Adsorption studies of H2O and O2 on the (2×1) reconstructed surface are documented by timelapse STM.