Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Bildung von Methoxygruppen auf als Modellkatalysatoren dienenden V2O3(0001)- und V2O5(001)-Oberflächen untersucht. Dieses ist ein Zwischenschritt einer industriell bedeutsamen Reaktion, der oxidativen Dehydrierung von Methanol zu Formaldehyd.Unter typischen UHV-Bedingungen wird die V2O3(0001)-Oberfläche von Vanadylgruppen und die V2O5(001)-Oberfläche von Doppelreihen aus Vanadylgruppen terminiert. Die Sauerstoffatome dieser Vanadylgruppen können durch Elektronenstrahlen entfernt werden. Dabei besteht die Möglichkeit, den Grad der Oberflächenreduktion durch die Elektronenstrahldosis zu variieren. Vanadylterminierte V2O3(0001)-Oberflächen sind unreaktiv im Hinblick auf die partielle Oxidation von Methanol. Die höchste Reaktivität weist eine nur schwach reduzierte Oberfläche auf. Details der Methanoladsorption sind mittels STM untersucht worden. Dabei wurde herausgefunden, dass n elektronenstrahl-induzierte Defekte zu 2n Methoxygruppen führen. Diese zusätzlichen Adsorptionsplätze werden durch desorbierendes Wasser, welches aus miteinander kombinierenden Hydroxygruppen entsteht, gebildet.Defektfreie V2O5(001)-Oberflächen sind ebenso inaktiv bezüglich der Formaldehydproduktion. Die höchste Reaktivität wurde wiederum für eine nur schwach reduzierte Oberfläche gefunden. Durch die gleichzeitige Desorption von rekombiniertem Methanol und Wasser sind bei Raumtemperatur nicht alle Defekte belegt, woraus sich eine geringere Menge Formaldehyd, verglichen mit V2O3,ergibt. Dosiert man eine große Menge Methanol bei Raumtemperatur, ist dieses nicht der Fall. Methoxygruppen werden auf der Oberfläche erst stabilisiert, wenn der Wasserstoff in Form von Wasser desorbiert ist. Daraus resultiert eine Zeitabhängigkeit der Methoxybedeckung, die durch kinetische Modelle gut reproduziert werden kann. / The formation of methoxy groups, which is an intermediate step in the oxidative dehydrogenation of methanol to formaldehyde has been investigated on the surface of two model catalysts, V2O3(0001) and V2O5(001).Under typical UHV-conditions a layer of vanadyl groups terminates the V2O3 films whereas the V2O5 films are terminated by double rows of vanadyl groups. The oxygen atoms of the vanadyl groups can be removed by electron irradiation. The applied dose controls the degree of reduction. Vanadyl terminated V2O3(0001) surfaces were found to be unreactive towards the partial oxidation of methanol. The highest reactivity is observed for a partial vanadium termination. Details of the surface reaction were investigated with STM. It was found that n electron induced surface defects lead to the formation of 2n methoxy groups. The additional adsorption sites were created by water desorption, which is formed by the combination of hydroxy groups. Defect free V2O5(001) films were also shown to be inactive for formalde-hyde production. The highest reactivity is found for a partially reduced surface. But here the simultaneous formation of methanol and water via recombination is a likely process. This leads to a decrease of the surface methoxy coverage. At room temperature not all reactive defects are covered which gives a relatively low formaldehyde yield. Dosing a relatively large dose of methanol at room temperature leads to an almost full coverage of the defects and to a higher formaldehyde yield. The way to stabilize methoxy up to the formaldehyde formation temperature is removal of hydrogen out of the system by water formation. This competes with methanol formation for hydrogen atoms. These processes lead to a certain time dependence of the methoxy concentration, which could be well reproduced with kinetic modelling.

In der vorliegenden Arbeit wurden das Wachstum und die Oberflächenstruktur von definier-ten V2O3-, V2O5- und MoO3-Filmen auf Au(111) sowie deren Einsatz als Modellsysteme zur Untersuchung von Elementarreaktionen auf Vanadiumoxid- und Molybdänoxid-basierten selektiven Oxidationskatalysatoren untersucht. Im Falle von V2O3(0001) befindet sich an der Oberfläche der Filme eine Lage von Vanadylgruppen, welche kein Bestandteil der Kristall-struktur sind. Die O Atome der Vanadylgruppen können durch Elektronenbeschuss definiert entfernt werden, wodurch eine partiell oder vollständig V-terminierte Oberfläche erzeugt werden kann. Der Grad der Oberflächenreduktion wird durch die Elektronendosis festgelegt. Dieses ermöglicht eine Untersuchung des Einflusses der Vanadylgruppen und der unterkoor-dinierten V-Ionen auf die Reaktivität der Modellkatalysatoren. Die Präparation von defektar-men V2O5(001)- und MoO3(010)-Filmen ist erstmals in der vorliegenden Arbeit dokumen-tiert. Diese Filme wurden mittels Oxidation in einer Hochdruckzelle bei einem Sauerstoffdruck von 50 mbar hergestellt. Anders als in vielen Publikationen berichtet sind diese hochkristallinen Schichten unter UHV-Bedingungen weitgehend reduktionsbeständig. Oberflächenverunreinigungen und Defekte scheinen aber einen großen Einfluss auf die Redu-zierbarkeit zu haben. Die von den Strukturen der regulären Oxide abweichenden Strukturen der Koinzidenzgitter von V2O5- und MoO3-Monolagen werden durch die Wechselwirkung mit der Au(111)-Unterlage stabilisiert, was vermutlich durch die einfache Verschiebbarkeit von Koordinationseinheiten in V und Mo-Oxiden erleichtert wird. Für beide Oxide beginnt das Wachstum regulärer Oxidstrukturen erst nach Vollendung der zweiten Lage. Die für geträgerte V2O5-Katalysatoren häufig vorgebrachte Annahme, dass V2O5-Kristallkeimbildung direkt auf einer Monolage stattfindet, sollte somit mit Vorsicht betrachtet werden. / The growth and the surface structure of well-ordered V2O3, V2O5 and MoO3 thin films have been investigated in this work. These films are seen as model systems for the study of ele-mentary reaction steps occurring on vanadia and molybdena-based selective oxidation cata-lysts. It is shown that well-ordered V2O3(0001) thin films can be prepared on Au(111). The films are terminated by vanadyl groups which are not part of the V2O3 bulk structure. Elec-tron irradiation specifically removes the oxygen atoms of the vanadyl groups, resulting in a V-terminated surface. The fraction of removed vanadyl groups is controlled by the electron dose. Such surfaces constitute interesting models to probe the relative role of both the vanadyl groups and the undercoordinated V ions at the surface of vanadia catalysts. The growth of well-ordered V2O5(001) and MoO3(010) thin films containing few point defects is reported here for the first time. These films were grown on Au(111) by oxidation under 50 mbar O2 in a dedicated high pressure cell. Contrary to some of the results found in the literature, the films are not easily reduced by annealing in UHV. This evidences the contribution of radiation and surface contamination in some of the reported thermal reduction experiments. The growth of ultrathin V2O5 and MoO3 layers on Au(111) results in formation of interface-specific monolayer structures. These layers are coincidence lattices and they do not correspond to any known oxide bulk structure. They are assumed to be stabilized by electronic interaction with Au(111). Their formation illustrates the polymorphic character and the ease of coordination units rearrangement which are characteristic of both oxides. The formation of a second layer apparently precedes the growth of bulk-like crystallites for both oxides. This observation is at odds with a common assumption that crystals nucleate as soon as a monolayer is formed dur-ing the preparation of supported vanadia catalysts.

Dans cette thèse on s'intéresse aux propriétés spectrales et optiques des matériaux aux corrélations fortes de Coulomb. En introduisant un schéma pour la continuation analytique des énergies propres de Matsubara sur l'axe réel dans le cadre le plus général de la théorie de champ moyen dynamique des clusters, les propriétés spectrales résolues en angles deviennent accessibles. De plus, dans certaines approximations, ceci permet la détermination des propriétés optiques. Notamment, on développe dans cette thèse un formalisme pour la conductivité optique dans le langage d'une base localisée. En généralisant la substitution de Peierls pour les cas réalistes de plusieurs atomes par cellule élémentaire, nous obtenons une approche très flexible et facile a implémenter. Ces techniques sont appliquées à plusieurs composés: *l'oxyde de vanadium VO2* Alors que sa phase métallique est caractérisée par des forts effets de corrélations dynamiques, le spectre du VO2 isolant est bien décrit dans un langage à un particule, que l'on définira. L'image de l'isolant qui se forme à partir de notre analyse est celle d'un "isolant de Peierls à N particules". De plus, on calcule la conductivité optique des deux phases et on trouve un accord satisfaisant avec des expériences récentes. Finalement, on en déduit aussi la couleur du matériau. *les sesqui-oxyde des terres rares RE2O3 (RE=Ce, Pr, Nd, Pm)* Dans cette série on trace l'influence des orbitales 4f dans la bande interdite d'excitation et dans les spectres optiques. On trouve un accord raisonnable avec des expériences. *le sesqui-oxyde de vanadium V2O3" Dans notre analyse on trouve que la transition métal-isolant en fonction du dopage avec du chromium est causée par un agrandissement de l'écart due au champ cristallin, résultante des corrélations. Egalement, on trouve une sélectivité orbitale de la cohérence des quasi-particules dans le métal, qui permet à expliquer des résultats expérimentaux optiques récentes.

Ziel dieser Arbeit war es, die Reaktivität von V2O3(0001) zu untersuchen. In dieser Arbeit wird sich zunächst mit dem epitaktischen Wachstum von V2O3-Filmen auf Au(111)und W(110) befaßt. Stöchiometrie und Geometrie der dünnen Filme wurden mit Röntgenphotoelektronenspektroscopie (XPS), Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) und Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) charakterisiert. Wir haben gezeigt, dass die Oberfläche zwei Terminierungen aufweist, die sich durch die An- bzw. Abwesenheit von zusätzlichen Sauerstoffatomen auf der Oberfläche unterscheiden. Diese Sauerstoffatome bilden Vanadylgruppen mit den Oberflächenvanadiumatomen, deren Streckschwingung mit Infrarotabsorptionsspektroskopie (IRAS) detektiert werden kann. Die elektronische Struktur des V2O3(0001) dünnen Filmes wurde mittels UV-Photoelektronenspektroskopie (UPS), XPS und NEXAFS untersucht. Wir haben bewiesen, dass die Bildung von Vanadylgruppen an der Oberfläche einen Metall-Isolator Übergang hervorruft. Für jede Oberflächenterminierung wurde ein elektronenenergieverlustspektrum (HREELS) gezeigt und mit einem Spektrum des isomorphischen Cr2O3 verglichen. Wasseradsorptionsexperimente zeigen, dass Wasser sowohl molekular als auch dissoziativ auf beiden Oberflächen adsorbiert. Die Dissoziationswahrscheinlichkeit hängt von der Terminierung und von der Bedeckung ab. Sie ist am höchsten bei großer Bedeckung auf der -V=O Oberfläche. CO2 Adsorption wurde mit UPS, XPS, HREELS und IRAS untersucht. CO2 physisorbiert auf der -V=O Oberfläche. Den IRA Spektren entnehmen wir, dass CO2 auf der -V Oberfläche als gewinkelte Spezies adsorbiert. Heizen dieser Spezies auf 200 K führt zu Karbonatbildung. Die Adsorption von CO verhält sich ähnlich wie die von CO2: nur kleine Menge adsorbieren auf der -V=O Oberfläche, während die -V Oberfläche viel reaktiver zu sein scheint. Winkelaufgelöste UPS Messungen deuten auf eine flache CO Adsorptionsgeometrie auf der -V=O Oberfläche hin. NEXAF- und IRA-Spektren zeigen dagegen, dass bereits bei 90 K sich CO2 auf der -V Oberfläche bildet. / In this work, we firstly showed that it is possible to grow thin V2O3(0001) films on Au(111) and W(110). The stoichiometry of the film has been characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS). We inferred with infrared absorption spectroscopy (IRAS) the existence of two possible terminations of the V2O3(0001) surface. These two terminations differ only by the presence or not of oxygen atoms on the top of the surface, forming vanadyl groups with the surface vanadium atoms. We studied with UV photoelectron spectroscopies (UPS), XPS and NEXAFS the electronic structure of our V2O3(0001) thin films. Our data evidence a metal to insulator transition induced by the formation of the vanadyl groups on the surface. We performed high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS) measurements and presented a phonon spectrum for each termination. We compared our spectra with a spectrum of the isomorphic Cr2O3(0001). We studied the water adsorption properties of both surface terminations. We observed molecularly adsorbed water on both surface terminations for low exposures. For large exposures, water dissociates and OH-groups were detected. We performed CO2 adsorption experiments with UPS, XPS, HREELS and IRAS. The analyze of the IRAS results on the -V terminated surface leads us to the conclusion that CO2 adsorbs in a bent configuration. With UPS and XPS, we could evidence the formation of carbonates upon heating up to 200 K. On the -V=O surface, CO adsorbs molecularly and we concluded from the angle resolved UPS data that the CO molecule is strongly tilted on the surface. With NEXAFS and IRAS, we showed the formation of CO2 on the -V surface.

In this work, we firstly showed that it is possible to grow thin<br />V2O3(0001) films on Au(111) and W(110). The preparation process<br />consists of an evaporation of metallic vanadium in an oxygen<br />atmosphere, followed by an annealing at 700 K in 5.10-8 mbar<br />of oxygen. The low energy electron diffraction (LEED) patterns<br />obtained for both substrates exhibit sharp spots, indicating a<br />well-defined surface structure. The stoichiometry of the film has<br />been characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and<br />near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS).<br />The XP spectrum in the binding energy range 500-540 eV shows three<br />features corresponding to the V 2p3/2, V 2p1/2 and O 1s<br />lines, respectively. Relevant parameters for the determination of<br />the stoichiometry of the oxide are the distance between the O 1s<br />and V 2p signals, the Full Width at Half Maximum (FWHM) and the<br />shape of the spectra. Our spectra show good agreement with those<br />found in the literature for V2O3 single crystals. V L-edge NEXAFS<br />spectra present noticeable chemical shifts characteristic of the<br />different vanadium valencies and their shape depends implicitly on<br />the local symmetry of the vanadium cation. Each vanadium oxide<br />type therefore displays a typical spectrum. A comparison of our<br />spectrum to reference spectra permits the identification of our<br />vanadium oxide thin film to V2O3.<br /><br />We proved with infrared absorption spectroscopy (IRAS) the<br />existence of two possible terminations of the V2O3 (0001) surface.<br />These two terminations differ only by the presence or not of<br />oxygen atoms on the top of the surface, forming vanadyl groups<br />with the surface vanadium atoms. The first termination, called<br />-V=O termination, is obtained after the preparation process. The<br />second termination - the -V termination - is obtained by heating<br />the -V=O surface up to 600 K with electron bombardment.<br /><br />We studied with UV photoelectron spectroscopies (UPS), XPS and<br />NEXAFS the electronic structure of our V2O3 (0001) thin films. The<br />UP spectra of the -V=O terminated surface clearly show a gap for<br />the -V=O terminated surface. These data therefore evidence a metal<br />to insulator transition induced by the formation of the vanadyl<br />groups on the surface. This result is confirmed by our NEXAFS O K<br />edge and XPS results. The NEXAF O K edge spectra consist of two<br />features. The first one is attributed to the tansition to the<br />unoccupied V 3d egΠ and a1g (t2g) states with O 2p<br />character and the second one to the unoccupied V 3d egΣ states.<br />For the -V=O termination, both features of the spectrum exhibit a<br />shift towards higher energy relative to the spectrum for the -V<br />termination. This shift can be explained by the changes in the<br />electronic structure due to the metal to insulator transition. The<br />XP spectra exhibit enhanced satellite features in the case of the<br />-V=O termination, which can be attributed to poorly screened final<br />states. We also observed a shift of the O 2p band towards lower<br />binding energies for the -V=O terminated surface relative to the<br />-V terminated surface. We tried to explain this phenomenon with a<br />band bending model. Finally, we proposed two models for the<br />surface geometry of the -V=O terminated surface. In the first one,<br />the oxygen atoms sit on top of the vanadium atoms. In the second<br />one, the oxygen atoms sit on quasi regular bulk positions.<br /><br />We performed high resolution electron energy loss spectroscopy<br />(HREELS) measurements and presented a phonon spectrum for each<br />termination. Differences in phonon intensities observed between<br />both surface terminations can be interpreted as a screening effect<br />of electronic carriers. We compared our spectra with a spectrum of<br />the isomorphic Cr2O3(0001) and found out that the<br />metal-oxygen bond is not so strong in V2O3 as in Cr2O3.<br /><br />We studied the water adsorption properties of both surface<br />terminations. The experiment consists of the adsorption of water<br />at 90 K, yielding the formation of ice on the sample surface. The<br />sample then is heated up to 190 K. The species present on the<br />surface at this temperature are analyzed with UPS, XPS and HREELS.<br />The adsorption path seems to depend on both the termination and<br />the exposure. We observed molecularly adsorbed water on both<br />surface terminations for low exposures. The adsorbed water shows<br />only weak interaction with the substrate. For large exposures,<br />water dissociates and OH- groups were detected. When the OH-<br />desorb of the primary -V=O terminated surface, the surface left is<br />-V terminated. In the case of the -V=O terminated surface, the<br />water molecule is assumed to adsorb on the surface vanadium atom<br />through its oxygen atom. The oxygen double bonded to the vanadium<br />can interact with the hydrogen of the water molecule to form a OH<br />radical, breaking its double bond to the vanadium. This<br />dissociation mechanism may imply charge redistribution, explaining<br />why the V 3d emission in UPS increases upon water adsorption. This<br />model explains why the vanadyl oxygen atoms desorb with the OH<br />groups. For the -V terminated surface, we observed a charge<br />transfer from the V 3d substrate to the adsorbate, producing<br />OH- groups. Therefore, we proposed a model in which the<br />vanadium a1g or egΠ orbital forms a Σ bond with oxygen<br />lone-pair orbitals of OH-.<br /><br />We performed CO2 adsorption experiments with UPS, XPS, HREELS and<br />IRAS. The UP results for the -V=O surface exhibit small features<br />which we assigned to physisorbed CO2. The CO2 adsorption on the<br />-V terminated surface is more complex. The analyze of the IRAS<br />results leads us to the conclusion that CO2 adsorbs in a bent<br />configuration. With UPS and XPS, we could evidence the formation<br />of carbonates upon heating up to 200 K.<br /><br />The CO adsorption properties follow a similar trend as for CO2 :<br />only small quantities adsorb on the -V=O surface while the -V<br />surface seems to be much more reactive. On the -V=O surface, CO<br />adsorbs molecularly and we concluded from the angle resolved UPS<br />data that the CO molecule is strongly tilted on the surface. With<br />NEXAFS and IRAS, we showed the formation of CO2 on the -V<br />surface.<br /><br />To our knowledge, we are the first to report a surface effect<br />resulting in a metal to insulator transition. This very complex<br />phenomenon is very exciting for the surface scientist. Further<br />work on V2O3 (0001) should therefore involve theorists in order to<br />explain properly why the formation of vanadyl groups on the<br />surface induces a metal to insulator transition. A simulation of<br />the angle resolved UPS data could determine which model for the<br />surface geometry is correct. Further experimental work could be<br />thermal desorption spectroscopy (TDS) and IRAS with isotopes in<br />order to identify the formation path of CO2 by CO adsorption on<br />the -V terminated surface.

Vanadium extraction methods were developed for iron-vanadium-phosphorus (Fe-V-P) melts derived from processing of V-bearing titanomagnetites and steel slags. Studies on phase relationships of V slags were carried out to provide important understanding of the extraction processes. Phase relationship in vanadiferous slag was investigated experimentally at 1573K, 1673K and 1773K, for the compositional range of 0-6mass% Al2O3, 1-5mass% CaO, 10-17mass% SiO2, with MnO and V2O3 fixed at 5.5mass% and 30mass%, balanced with FeO. The slags were found to be solid-liquid mixtures, of liquid, spinel and in some cases free silica. Alumina was identified as the preferred additive to prohibit precipitation of free silica. A method for V extraction to vanadiferous slag was developed based on Fe-V(2mass%)-P(0.1mass%) melts at 1677K using a semi-industrial scale BOF. Oxidation was carried out with an oxygen enriched air jet and iron ore pellets. The complete dissolution of pellets was achieved by deliberately creating good stirring conditions utilising high momentary decarburisation rates. The P distribution to the slag was low when good stirring conditions was obtained. Phase relationship in Al2O3-CaO(25-35mass%)-SiO2-VOx slag was investigated experimentally at an oxygen partial pressure of 9.37•10-11atm and 1873K. The maximum solubility of V-oxide in the slag was 9-10mass% V2O3. Two solid phases were found, a solid solution of Al2O3 in V2O3 (karelianite) and hibonite with fractionation of V into the crystal structure. V extraction experiments to Al2O3-CaO-SiO2 based slags were carried out in 150kg scale by blowing CO2 gas into the metal bath consisting mainly of 1-10mass% V and 1mass% P. At these conditions, oxidation of V was favoured over Fe. Up to 10-13mass% V2O3 could be dissolved in the slag before a viscous slag saturated in V-oxide was observed. The phosphate capacity in the slag was low and as a result this slag could at once be subjected to a final reduction step for production of ferrovanadium with 40-50mass% V. / Metoder för att utvinna vanadin till högvärdiga vanadinslagger från metallsmältor innehållande främst järn (Fe), vanadin (V) och fosfor (P) utvecklades. Metallsmältorna framställs genom att processa primära V råvaror, såsom titanomagnetit, och sekundära råvaror av i huvudsak vanadinrik stålslagg. Fasstudier av högvärdiga vanadinslagger genomfördes som grund för utvecklingsarbetet. Experimentella fasstudier av vanadinspinellslagg med 30vikt% V2O3 och 5.5vikt% MnO genomfördes vid en temperatur av 1573K, 1673K och 1773K. Övriga komponenter i slaggen varierades inom ett intervall av 0-6vikt% Al2O3, 1-5vikt% CaO och 10-17vikt% SiO2, viktad med järnoxid. Samtliga slagger var sammansatt av både flytande- och fastfas. Den fasta fasen utgjordes främst av en vanadin- och järnrik spinellfas och i vissa fall även av fri SiO2. Genom försök i en stålkonverter i semi-industriell skala utvecklades och validerades en metod för vanadinutvinning från råjärnsmältor innehållande 2vikt% V och 0.1vikt% P, vid en temperatur av 1677K. Oxidationen utfördes med syreanrikad luft via en vattenkyld topplans och genom tillsats av hematit pellets. Omsättningen av pellets säkerhetsställdes genom god omrörning som erhölls under korta perioder med höga gasvolymer som en effekt av hög avkolningstakt. Råjärnet efter behandlingen innehöll cirka 3vikt% C och 0.1vikt% V. Producerad vanadinspinellslagg bestod av upp till 30vikt% V2O3. Fosforfördelningen till slaggen var låg under processbetingelser med god omrörning. Experimentella fasstudier av Al2O3-CaO(25-35vikt%)-SiO2-VOx slagg genomfördes vid en temperatur av 1873K och ett syrepartialtryck av 9.37·10-10atm. Den maximala lösligheten av vanadinoxid i slaggen var 9-10vikt% V2O3. Två fasta faser identifierades, V2O3 (Karelianit) med fast löslighet av Al2O3 och Hibonit med vanadinoxid inlöst i kristallstrukturen. Experimentella försök för att utvinna vanadin från en stålsmälta bestående av 1-10vikt% V och 1vikt% P till en slagg med en initial sammansättning av 7-40vikt% Al2O3, 25-35vikt% CaO och 27-64vikt% SiO2 utfördes i en skala av 150kg. Oxidation av vanadin åstadkoms genom att blåsa in CO2 gas i stålsmältan via en spolsten. Under dessa processförhållanden var oxidationen av vanadin gynnsam framför järn och fosfor. Lösligheten av vanadinoxid i slaggen var upp till 10-13vikt% V2O3. Slagg mättad med vanadinoxid var viskös som en konsekvens av utfällning av V2O3 med inlöst Al2O3. Slaggens gynnsamma vanadin och järn- samt vanadin och fosfor förhållande möjliggör att genom slutreduktion producera ferrovanadin med en vanadinhalt av 40-50vikt% och låg fosforhalt. / <p>QC 20170912</p>