A h-BN nanoháló alkalmazása molekulaadszorpciós és fémkatalizált folyamatokban

Szitás Ádám
A h-BN nanoháló alkalmazása molekulaadszorpciós és fémkatalizált folyamatokban.
[Thesis]

[thumbnail of d_sza 1103.pdf]
Preview
PDF (disszertáció)
Download (6MB) | Preview
[thumbnail of tf_sza_magyar 1103.pdf]
Preview
PDF (tézis)
Download (533kB) | Preview
[thumbnail of tf_sza_angol 1103.pdf]
Preview
PDF (tézis)
Download (329kB) | Preview

Abstract in Hungarian

A huszadik század második felében jelentősen átalakult a vegyipar területén uralkodó általános szemléletmód. A termékek nagy mennyiségben történő előállításán túl előtérbe került a szelektivitás fontossága, a melléktermékek számára és azok mennyiségére vonatkozó tervezhetőség iránti igény, illetve fokozott figyelmet kapott az adott technológia környezetre gyakorolt hatása is. Ennek eredményeként megszületett az elvárás a különböző vegyipari folyamatok alapos megismerésére annak érdekében, hogy a lehető legnagyobb mértékben szabályozhatóvá és tervezhetővé váljanak a vegyipari eljárások. A vizsgálati módszertan egyik iránya az un. bottom-up technika, ahol ultravákuum körülmények között, tiszta egykristályokra alapozva összetettebb, több komponenst tartalmazó rendszereket építünk fel. A bottom-up módszer előnye, hogy a vizsgált rendszerben lejátszódó folyamatokat könnyebb megérteni elemi szinten, és az így szerzett tapasztalatokra, eredményekre alapozva többkomponensű, bonyolult gyakorlati rendszerek, pl. gépjárművekben használt vagy ipari katalizátorok tervezése is gördülékenyebbé, egyszerűbbé válhat. A kutatók, annak érdekében, hogy a fenti elvárásoknak eleget tegyenek, egyre korszerűbb, egyre különlegesebb anyagok vizsgálatára is kiemelt erőfeszítéseket fordítanak. Erre azért is szükség van, mert sokszor igen összetett és speciális rendszerek alkalmazása indokolt, melyek egyedi fizikai-kémiai tulajdonságokkal bírnak, illetve többféle igénynek igyekeznek megfelelni egy időben. Egy ilyen speciális rendszer a kétdimenziós anyagok családja. A 2D anyagok a grafén (egy atomi rétegvastagságú grafit) felfedezését követően kerültek a kutatók érdeklődésének homlokterébe. A grafén bór-nitrid analógja, a hexagonális-bór-nitrid (h-BN) alternáló bór és nitrogén atomokat tartalmaz, valamint több kedvező fizikai és kémiai tulajdonságon osztozik a grafénnel. Doktori munkám során az MTA-SZTE Reakciókinetikai és Felületkémiai kutatócsoport munkájába kapcsolódtam be, ahol a h-BN adszorpciós tulajdonságával foglalkoztam; egyfelől az etanol és az acetaldehid fémkatalizált folyamatait vizsgáltuk, másfelől molekulaadszorpciós templátként való alkalmazását tanulmányoztuk ezen a felületen. Az előállított h-BN réteg hordozója, az általunk alkalmazott szubsztrát egy (111) Miller-indexű ródium egykristály (Rh(111)) volt. Kisméretű szerves molekulák, mint pl. etanol és acetaldehid, katalitikus reakcióit tanulmányoztuk tiszta és különféle módosított ródium egykristály felületén. Ebben az esetben a h-BN monorétegnek azt a tulajdonságát használjuk ki, hogy a (111) Miller-indexű egykristályokon szintetizálva, szabályos szerkezet jön létre (élek-pórusok), az így kialakuló struktúrára periodikus korrugáltság jellemző. Az így keletkező pórusok átmérője (~2 nm) egybeesik azzal a mérettartománnyal, amelyben az arany katalitikusan aktív. Célunk megismerni és részletesen leírni a lehetséges reakcióutakat a tiszta Rh(111) és módosított egykristályfelületeken, a fenti molekulákra vonatkozóan. Az általunk alkalmazott módosítások során egy atomi réteg vastagságú h-BN nanohálót hoztunk létre a Rh egykristály felületén, amelyen Au nanorészecskéket állítottunk elő. Vizsgáltuk továbbá nagyobb méretű molekulák, pl. ciklohexén, benzol, azobenzol, adszorpciós tulajdonságait is. Ebben az esetben a h-BN monorétegnek azt a tulajdonságát használtuk ki, hogy a szabályos, rendezett nanoháló struktúra a Rh(111) egykristály felületén jellemzően inert, illetve inertnek vélt. Ez alapján az elektromos vezető hordozó (Rh egykristály) és a vizsgálni kívánt molekula közötti kölcsönhatás feltehetően minimálisra csökken – tulajdonképp egyfajta izoláló szerepet tölt be a nanoháló, melynek köszönhetően a fém egykristályon történő vizsgálatokhoz képest jóval inertebb környezetben vizsgálhatjuk a molekulák adszorpciós tulajdonságait vagy további alkalmazások felé végezhetünk méréseket pl. molekulakapcsolási reakciók vagy heterogén nanostruktúrák (heterostruktúrák) kialakítása. Célkitűzéseink között szerepelt h-BN/szén alapú heterostruktúra létrehozása Rh(111) felületen: mind az ép h-BN felületén, annak bontása nélkül, szerettük volna kialakítani a szén (pl. grafén) réteget (grafén/h-BN/Rh(111)), mind 2D laterális struktúrában, ahol a szén beépül a h-BN nanoháló szerkezetébe (grafén-h-BN/Rh(111)).

Abstract in foreign language

I carried out my doctoral work and research on the surface of rhodium, more precisely on a (111) crystallographically oriented single crystal surface. The test substances I used were ethanol, acetaldehyde, benzene, cyclohexene and azobenzene. In our experiments, we performed measurements on the surface of pure Rh (111) and on the differently modified sample as well. As a typical surface modification hexagonal boron nitride (h-BN) monolayer is formed on the surface of the Rh single crystal by high temperature exposure of a borazine precursor molecule. Furthermore, we evaporated gold nanoparticles using the PVD technic not only on the pure Rh(111) single crystal surface but we also decorated the surface of the h-BN nanomesh with gold too. The h-BN monolayer is a self-assembling, highly corrugated two-dimensional layer. Due to its complex properties, it provides an attractive research topic for studying catalytic reactions on its surface moreover it can act as a template for molecular adsorption. The special feature of the nanomesh is that due to the corrugation of h-BN, there are regions located closer to the support metal (in our case Rh(111)) (pore, pores), while other regions have bigger distance (edges, wire) from the substrate. The size of the pores is in good accordance with the size of metal nanoparticles (in our case gold nanoparticles) with increased catalytic activity. For this reason, additional modifications were made to the h-BN / Rh(111) system in some of the experiments by physical vapor deposition (PVD) of gold. As a result Au / h-BN / Rh(111) composite sample surface was formed to learn more about the adsorption and catalytic reactions of ethanol and acetaldehyde on this system. Another important behaviour of the h-BN nanomesh is, which we tried to exploit in molecular adsorption processes, that it is electrically insulating and chemically resistant (quasi inert). Therefore, it drastically reduces the interaction between the molecules adsorbed on the surface and the support Rh, allowing us to study the adsorption properties of molecular switches (e.g. azobenzene) by eliminating the affecting effects of the support. Our aim was on one hand to map the energy loss spectrum of the azobenzene molecule by exposing the h-BN surface with multilayer coverage of azobenzene, minimizing the shielding effect of the h-BN nanomesh phonon vibrations on the azobenzene spectrum on the metal substrate. Nevertheless, investigation of the adsorption geometries of azobenzene was an important target too. As a long-term goal, we intended to study the creation of various heterostructures, on the h-BN / Rh(111) system. We studied the adsorption properties of azobenzene, benzene and cyclohexene on the h-BN / Rh(111) system, in order to understand the behaviour of the h-BN nanomesh formed on the Rh(111) single crystal in molecular adsorption processes and its applicability as a molecular adsorption template. Our measurements were performed in an ultra-vacuum (UHV) chamber using high-resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS), Auger-electron spectroscopy (AES), and temperature-programmed desorption (TPD) techniques.

Item Type: Thesis (Doktori értekezés)
Creators: Szitás Ádám
Title of the thesis in foreign language: Application of h-BN Nanomesh in Molecular Adsorption and Metal-Catalyzed Processes
Subjects: 01. Natural sciences > 01.04. Chemical sciences
Divisions: Doctoral School of Chemistry
Tudományterület / tudományág: Natural Sciences > Chemistry
Nyelv: Hungarian
Date: 2022. April 06.
Uncontrolled Keywords: bór-nitrid, elektronspektroszkópia, surface science
Item ID: 11075
Date Deposited: 2021. Nov. 05. 08:07
Last Modified: 2022. Apr. 21. 08:20
Depository no.: B 6933
URI: https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/11075
Defence/Citable status: Not Defended. (Do not cite until it has not assigned DOI number!)

Actions (login required)

View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year