Chemical recognition and reactivity of zinc-oxide surfaces

Abstract

ZnO hat wegen seiner potenziellen Anwendung in elektronischen Geräten und als Katalysator viel Aufmerksamkeit erhalten. Die Struktur und Reaktivität von ZnO-Oberflächen haben eine direkte Bedeutung für die Leistung und Funktionalität dieser Geräte. Daher ist die Definition und das Verständnis der atomistischen Details von ZnO-Oberflächenstrukturen von besonderer Bedeutung. Die atomistischen Details von ZnO-Oberflächen hängen von den Präparationsverfahren ab. Nach der Kristallpräparation ist es notwendig, eine Oberflächencharakterisierung durchzuführen, um eine Verbesserung der Funktionalität und Effizienz von ZnO-basierten opto-elektronischen Bauelementen und Katalysatoren zu erreichen. Die atomistische Wahrnehmung der Reaktion zwischen einem organischen Molekül und ZnO-Oberflächen spielt eine entscheidende Rolle bei der Optimierung der Wasserstoff-on-demand-Lieferung in Brennstoffzellen. Das Verständnis der atomistischen Details von Adsorption, Diffusion und Dissoziation eines organischen Moleküls ebnet den Weg, um die Vorgänge bei der Wasserstofffreisetzung für Brennstoffzellen zu enträtseln. Mit dem Ziel, die Struktur- und Stöchiometriebestimmung mit Hilfe der XPS zu ermöglichen, präsentiere ich in dieser Arbeit die Ergebnisse einer umfassenden theoretischen Studie über die Kernniveauverschiebungen von ZnO-Oberflächenrekonstruktionen. Darüber hinaus biete ich eine gründliche Untersuchung der gemischt-terminierten Oberfläche, indem ich zunächst die Bedingungen untersuche, unter denen sich Methanol-Monolagen auf dieser Kristallfläche bilden können, und dann alle möglichen Wege für deren Reaktion erforsche. Diese Studie liefert ein umfassendes Bild, um die wahrscheinlichsten Reaktionsschritte zu identifizieren, die zur Interpretation der experimentellen Ergebnisse herangezogen werden können. Sie wird zukünftigen theoretischen Studien für ähnliche Reaktionen wie die Dehydrierung und die Kinetik der Monolagenbildung, die hier untersucht wurden, helfen.

Zinc-Oxide (ZnO) has been getting much attention over the past decades because of its potential application in electronic devices and as a catalyst. The structure and reactivity of ZnO surfaces have direct relevance for the performance and functionality of these devices. Therefore, defining and understanding the atomistic details of ZnO surface structures is of particular importance. The atomistic details of ZnO surfaces depend on the preparation procedures. After the crystal preparation, it is necessary to perform a surface characterization, to achieve an improvement in the functionality and efficiency of ZnO-based opto-electronic devices and catalysts. The atomistic perception of the reaction between an organic molecule and ZnO surfaces plays a crucial role in optimizing hydrogen-on-demand delivery in fuel cells, and understanding the atomistic details of adsorption, diffusion, and dissociation of a simple organic molecule paves the way towards unraveling the procedures involved in the hydrogen liberation for fuel cells. In this work, with the aim of enabling structure and stoichiometry determination by using X-ray photoelectron spectroscopy, I present the results of a comprehensive theoretical study on the core-level shifts of ZnO surface reconstructions. Moreover, I provide a thorough investigation of the mixed-terminated (10-10) surface by first examining the conditions under which methanol monolayers can form on this crystal face and by then exploring all possible pathways for its adsorption, diffusion, and initial dehydrogenation. This study provides a comprehensive picture to identify the most probable reaction steps that can be used to interpret experimental findings and will help future theoretical studies for reactions similar to dehydrogenation of organic molecules and monolayer-formation kinetics that were studied here.