近表面缺陷破坏CeO$_{2-x}$(111)面上水分子吸附的对称性
材料科学
2026-01-28 v1 介观与纳米尺度物理
其他凝聚态物理
原子与分子团簇
化学物理
摘要
与氧缺失陶瓷二氧化铈（CeO）表面的水相互作用是氢能源生产和催化氧化反应的核心问题，但缺陷如何影响吸附和活性的原子尺度细节仍然鲜为人知。本文利用带化学敏感、氧终端探针的原子力显微镜（AFM）结合第一性原理计算，揭示了部分还原的 CeO(111) 表面上水的吸附方式。我们的AFM成像显示，水分子呈现锐利、非对称的回形针状特征，与此前归因于分子水的对称三角形图案显著不同。令人惊讶的是，这些特征局部于次表面缺陷附近。虽然实验在低温下进行，但在室温下给予水分子，捕获了催化过程中初始吸附事件相关的构型。密度泛函理论识别出次表面空位相邻的 Ce 位点为热力学上优先的吸附位点，其中缺陷引起的对称性破坏决定了水的取向。力学光谱和模拟进一步通过其独特的相互作用特征区分 Ce 与 Ce 中心。通过原子尺度解析次表面缺陷如何控制水的吸附，本工作证明了化学选择性AFM用于探测氧化物催化剂的特定活性位点的潜力，为单原子催化剂、金属-支持界面和缺陷工程氧化物的直接复杂系统研究奠定了基础。
关键词
引用
@article{arxiv.2506.20680,
title = {Near-surface Defects Break Symmetry in Water Adsorption on CeO$_{2-x}$(111)},
author = {Oscar Custance and Manuel González Lastre and Kyungmin Kim and Estefanía Fernandez-Villanueva and Pablo Pou and Masayuki Abe and Hossein Sepehri-Amin and Shigeki Kawai and M. Verónica Ganduglia-Pirovano and Rubén Pérez},
journal= {arXiv preprint arXiv:2506.20680},
year = {2026}
}