Reactivity of oxyde nanoparticles with defined orientations
Réactivité de nanoparticules d'oxydes d'orientations définies
Résumé
The analysis of adsorption from the first stage to saturation is necessary to understand gas/solid interactions. This is the motivation for surface analysis under vacuum. The common approach of dispersed materials surfaces is incomplete since working pressures, that are high enough to achieve reasonable reaction times, do not allow studies of powder surfaces from bare to fully covered. The aim of the present work is to examine the successive changes of ZnO, MgO and ZnxMg1-xO nanopowders upon exposure to water or hydrogen from UHV to the ambient by FTIR. It is shown that ZnO smokes behave in a same way as a collection of single crystals which exhibit (0001), (0001̅), (101̅0) and (112̅0) faces with a non-polar/polar ratio of 75/25. Combining FTIR with XPS and TPD techniques, three stages of hydroxylation were identified on MgO smokes: point defects (10-8 mbar), steps (10-6 mbar) then terraces (> 10-5 mbar). Results indicate a reorganisation of surface structure showing that water adsorption on MgO(100) is an irreversible process. The common model of MgO as a series of (100) facets is questioned. At low concentrations of zinc, the mixed oxide ZnxMg1-xO consists of crystals with similar structure as MgO. A segregation of Zn2+ toward low coordinated surface sites is suggested to explain the changes in reactivity of the ZnxMg1-xO with respect to water and hydrogen at low coverages. Furthermore, the mixture ZnO-MgO produced by combustion of ZnMg alloy combines the antibacterial properties of ZnO and the biocompatibility of MgO, interesting for potential applications. The overall results demonstrate the relevance of the study of powders in ultra-high vacuum conditions.
La connaissance d’un système gaz/solide requiert l’analyse de l’adsorption, du premier stade jusqu’à saturation. C’est la motivation de l’analyse des surfaces sous vide. L’approche des surfaces divisées est souvent tronquée. Pratiquée à des pressions suffisamment élevées pour être compatible avec un temps de réaction raisonnable, elle ne permet pas l'analyse de la surface nue à la monocouche. L’objectif du présent travail a été d’établir une continuité d’observation par FTIR, de l’UHV à la pression ambiante, de poudres de MgO, ZnO et ZnxMg1-xO exposées à l’eau ou à l’hydrogène. Il a été montré que les fumées de ZnO se comparent à des cristaux présentant les faces (0001), (0001̅), (101̅0), (112̅0), avec un rapport non-polaire/polaire de 75/25. Par FTIR combinée à la photoémission et à la désorption thermique, trois étapes de l’hydroxylation des fumées de MgO ont été identifiées : défauts ponctuels (10-8 mbar), marches (10-6 mbar) puis terrasses (> 10-5 mbar), avec une restructuration qui prouve que l’eau change la structure de surface de MgO. La représentation commune de la surface de MgO par une suite de facettes (100) est mise en cause. Aux faibles teneurs en zinc, l’oxyde mixte ZnxMg1-xO est formé de cristallites cubiques de même structure que MgO. Le zinc en substitution tend à ségréger vers les sites de basse coordinence où il affecte les propriétés d’adsorption d’eau et d’hydrogène. Par ailleurs, le mélange ZnO-MgO obtenu par combustion d’alliage ZnMg offre une possibilité d’application grâce aux propriétés bactéricides de ZnO et de faible toxicité de MgO. L’ensemble des résultats montre la pertinence de l’étude des poudres pratiquée dans les conditions de l’UHV.
Origine : Version validée par le jury (STAR)