An XPS study of the influence of chemisorbed oxygen on the adsorption of ethylene and water vapour by Cu (110) and Cu (111) surfaces

Department of Chemistry, University College, Cardiff.

Abstract

The adsorption of ethylene and water vapour on Cu (110) and Cu (111) surfaces has been studied by x-ray photoelectron spectroscopy in the temperature range 80 K to 373 K. Adsorption at 80 K is molecular in each case and desorption complete at ~ 160 K. There is little or no evidence for interaction after long exposure to ethylene up to 373 K. Prexposure of both Cu (110) and Cu (111) surfaces to oxygen activates both the C—H bond in ethylene and the O—H bond in water. The asymmetry in the O (1s) binding energy is indicative of surface hydroxylation and by curve-fitting the O (1s) spectra, and comparing with the C (1s) spectra, the stoichiometry of the adsorption process is shown to involve the generation in a 1 :1 ratio of C₂H₃(a) and OH(a) species at 373 K. It is suggested that the process occurs by a dual-site mechanism involving both Cu and 0^δ— (a) species. At low temperature (150 K) we have evidence for a hydrogen-bonded precursor state. These results are analogous to other studies (HCI, H₂S) where surface hydroxylation is followed by the chemisorptive replacement of chemisorbed oxygen by chlorine and sulphur.

Résumé

L'adsorption d'éthylène et d'eau sur les faces (110) et (111) du cuivre a été étudiée par XPS dans le domaine de température 80-373 K. L'adsorption à 80 K se produit sous une forme moléculaire et une désorption totale des molécules adsorbées s'observe à 160 K. Aucune interaction adsorbant-adsorbat n'est constatée même après une longue exposition aux réactifs de la surface. Les faces (110) et (111) pré exposées à l'oxygène activent les liaisons C—H de l'éthylène et O—H de l'eau. La dissymétrie du pic O(1 s) indique une hydroxylation de la surface. Par dé convolution des spectres O(1s) et par comparaison avec les spectres C(1s), il est montré que la stoïchiométrie d'adsorption implique la formation à 373 K dans un rapport 1 : 1 d'espèces C₂H₃ (a) et OH(a). Il est suggéré que l'adsorption dissociative met en jeu le couple de sites Cu et O^δ— (a). A basse température (150 K) un état précurseur où intervient une liaison hydrogène est mis en évidence. Ces résultats sont analogues à ceux obtenus avec d'autres molécules (HCl, H₂S) où l'hydroxylation de la surface est suivie de la substitution de l'oxygène chimisorbé par des atomes de chlore et de soufre.