金属基氧化铈薄膜表面碳氢化合物的吸附及疏水机理研究

Due to the shielding effect of 5s2p6 outer shell, the unfilled 4f orbitals of metal atoms in rare earth oxides (REOs) have lower tendency to exchange electrons and form hydrogen bonds with interfacial water molecules, resulting in a hydrophobic hydration structure. However, the adsorption of hydrocarbons on REO surfaces make the true mechanism governing the hydrophobicity still unclear. In this project, we will deposit ceria films by magnetron sputtering technique and systematically study the microstructure and hydrophobicity of deposited films. Wetting behaviors of ceria films will be regulated with different oxygen flows during deposition, the surface free energy theory model and the first-principles calculation method will be used to clarify the adsorption configuration, bonding type and preferred adsorption sites of hydrocarbons. Then the effects of lattice properties and surface defect states on hydrocarbon adsorption and wetting behaviors will be investigated. After that, annealing treatments will be carried out to reveal the thermal stability of adsorbed hydrocarbons, helping to understand the desorption mechanism of hydrocarbons and the response of wetting behavior to temperature change. This research can not only help to clarify the true mechanism governing the hydrophobicity of REOs, but provide theoretical and environmental basis for the design, fabrication and further applications of robust hydrophobic materials under industrial conditions.

由于5s2p6电子壳层屏蔽，稀土氧化物中稀土原子未填满的4f轨道很难与界面水分子发生电子交换形成氢键，使其呈现独特的疏水结构，然而材料表面对环境中碳氢化合物的易吸附性使其疏水特性主要本源仍存争议。本课题拟利用磁控溅射法制备氧化铈薄膜，系统研究薄膜微结构与疏水特性之间的内在关联。通过大气环境调控诱导薄膜体系润湿行为演变，并结合表面自由能理论模型及第一性原理计算方法，阐明表面碳氢化合物的吸附构型、成键机制及偏好吸附位点，深入理解晶格特性及表面缺陷态对碳氢物吸附及宏观润湿行为的影响。在此基础上，利用外加温度场揭示表面碳氢吸附物的热稳定性，了解氧化铈表面碳氢吸附物的解吸附机制及体系润湿行为对温度场的响应机制。本项目的研究成果不仅有利于澄清稀土氧化物的疏水性本源，而且能够为高强度疏水材料的设计、制备及其在工业环境下的应用提供重要的理论指导与实验依据。

由于稀土金属原子的特殊电子构型及其表面碳氢物的吸附行为，使稀土氧化物表面的疏水特性起源存在争议。本项目利用磁控溅射法制备氧化铈薄膜，通过工艺参数的优化，实现不同微结构薄膜的制备，进而系统研究薄膜微观结构与疏水特性之间的内在关联。在理解稀土氧化物暴露在大气环境下的润湿行为演变基础上，结合表面自由能理论模型及第一性原理计算方法，从微观尺度阐明氧化铈表面原子与水分子间的结合作用力及疏水特性的物理起源，完善了稀土氧化物的疏水特性理论模型。结果表明，具有（111）晶体取向的氧化铈薄膜表面接触角高于（220）取向的表面，（111）表面对水分子的吸附能力小于（220）表面。此外，水分子与氧化铈薄膜表面相互作用力随着晶格常数的增大而减弱。在此基础上，系统研究了薄膜表面特性与碳氢物吸附行为对疏水特性的协同影响机制，澄清了稀土氧化物疏水特性的依赖因素。进一步，利用稀土氧化物表面对碳氢物的吸附特性，结合微米尺度图案构筑，实现了基于自发吸附特性的异质化高液滴粘附表面制备。该项目为澄清稀土氧化物的疏水性本源提供重要的理论指导与实验依据。