BESSY II раскрывает ранние стадии окисления меди: основа для разработки катализаторов и исследований коррозии контейнеров для окончательного захоронения ядерных отходов

Синхротронный источник BESSY II в Германии недавно предоставил новые экспериментальные данные о ранних стадиях окисления поверхности меди. Исследование показывает, что до образования чистых оксидов меди атомы меди и кислорода сначала формируют сложные поверхностные сверхструктуры, например “29”CuₓO. Химическое состояние таких структур долгое время оставалось предметом дискуссий, что имеет значение для исследований катализаторов, а также для изучения защиты от коррозии медных контейнеров, предназначенных для окончательного захоронения радиоактивных отходов.

До образования чистого оксида меди возникают сложные сверхструктуры из атомов меди и кислорода——например, “29”CuxO. HZB

В повседневной среде поверхность меди постепенно утрачивает красный металлический блеск и покрывается зеленоватым оксидным слоем. Эта структура может в течение длительного времени замедлять дальнейшую коррозию. На начальном этапе этого процесса ключевым вопросом для исследователей является: в какой степени атомы меди действительно окисляются после проникновения кислорода в поверхность меди. Поскольку традиционные спектроскопические методы с трудом позволяют чётко различать чистую медь и частично окисленные поверхности, ранее определить соответствующее окислительное состояние напрямую не удавалось.

Исследовательская группа под руководством профессора Александра Фёлиша провела измерения с использованием оже-фотоэлектронной совпадающей спектроскопии (APECS) на BESSY II. Этот метод обладает высокой поверхностной чувствительностью, что позволило исследователям более чётко различать различные химические состояния.

Результаты показали, что в известной поверхностной оксидной структуре “29” атомы меди остаются очень близкими к металлическому состоянию, их степень окисления составляет лишь около 0,3. Иными словами, несмотря на высокую концентрацию кислорода на поверхности, электронное состояние меди ближе к металлической меди, чем к оксиду меди(I) (Cu₂O). Исследователи также идентифицировали распределение кислородных видов, формирующих защитный поверхностный оксидный слой. Этот результат показывает, что содержание кислорода на поверхности не определяет напрямую степень окисления атомов меди.

Это открытие может предоставить базовые данные для двух направлений. С одной стороны, медь часто используется в каталитических процессах, таких как восстановление диоксида углерода, синтез метанола и реакции окисления. Многие активные центры представляют собой не полностью окисленные CuO, Cu₂O или чистый металл, а частично окисленные поверхности. Если электронная структура этих поверхностей близка к металлическому состоянию, это поможет объяснить их активность и селективность, отличные от чистых оксидов. С другой стороны, более детальное понимание механизмов коррозии меди также способствует поддержке исследований безопасности медных контейнеров для окончательного захоронения отработавшего ядерного топлива.

Сообщается, что экспериментальная часть исследования была выполнена на конечной станции CoESCA линии UE52-PGM на BESSY II в рамках совместной лаборатории Уппсала—Берлин; соответствующие расчёты из первых принципов были поддержаны совместной исследовательской группой Стокгольмского университета в Швеции.