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Se revisa el estado actual de conocimiento de las superficies del Oxido de hierro, magnetita (Fe3O4), maghemita (γ-Fe2O3), hematita (α-Fe2O3) y wüstite (Fe1-xO). El trabajo comienza con un resumen de las aplicaciones donde Oxido de hierro superficies juegan un papel importante, incluyendo la corrosión, catálisis, spintronics, nanopartículas magnéticas (MNPs), biomedicina, fotoelectrochemical agua división y remediación de aguas subterráneas. A continuación se presenta brevemente la estructura y propiedades en masa; cada compuesto se basa en una red de aniones estrechamente empaquetada, con un estado de distribución y oxidación diferente de los cationes Fe en sitios intersticiales. La química de defectos a granel está dominada por vacantes de cationes e intersticiales (no por vacíos de oxígeno) y esto proporciona el contexto para entender las superficies de Oxido de hierro, que representan la línea de frente en procesos de reducción y oxidación. El Fe difunde dentro y fuera de la masa en respuesta al potencial químico de O2, formando a veces fases intermedias complejas en la superficie. Por ejemplo, α-Fe2O3 adopta superficies de tipo Fe3O4 en condiciones reductoras, y Fe3O4 adopta estructuras similares a Fe1-xO en aún más condiciones de reducción. Se argumenta que las estructuras conocidas de defectos a granel son un excelente punto de partida en la construcción de modelos para superficies de Oxido de Hierro.

La estructura a escala atómica de las superficies de bajo índice de Oxido de hierro es el foco principal de esta revisión. Fe3O4 es el Oxido de hierro más estudiado en la ciencia superficial, principalmente porque su rango de estabilidad corresponde muy bien al ambiente de vacío ultra-alto. También es un conductor eléctrico, lo que facilita el estudio con los métodos de ciencia superficial más utilizados, como las espectroscopías de fotoemisión (XPS, UPS) y la microscopía de tunelización (STM). Se discute el impacto de las superficies en la medición de propiedades a granel tales como el magnetismo, la transición de Verwey y la mediametalidad (prevista).

La mejor comprendida superficie de Oxido de hierro en la actualidad es probablemente Fe3O4 (100); la estructura se conoce con un alto grado de precisión y los principales defectos y propiedades están bien caracterizados. Un factor importante en esto es que una terminación en el plano de Feoct-O puede prepararse reproducible mediante una diversidad de métodos, siempre que la superficie se hibrida en 10-7-10-5 mbar de O2 en la etapa final de preparación. Tal preparación directa de una terminación monofásica no es generalmente el caso para las superficies de Oxido de Hierro. Todas las pruebas disponibles sugieren que los resultados de la reconstrucción reconstruida (√2 × √2) R45 ° de un reordenamiento de la red de cationes en la celda unitaria más externa en la que dos cationes octaédricos son reemplazados por un intersticial tetraédrico, un motivo conceptualmente similar al bien- conocidos defectos de Koch-Cohen en Fe1-xO. La deficiencia de cationes da lugar a una estequiometría de Fe11O16, que está en línea con el potencial químico en ultra alto vacío (UHV), que está cerca de la frontera entre las fases Fe3O4 y Fe2O3.

La superficie de Fe3O4 (111) también es muy estudiada, pero existen dos terminaciones de superficie diferentes, cercanas en energía y que pueden coexistir, lo que hace que la preparación de la muestra y la interpretación de los datos sean algo complicadas. Tanto las superficies Fe3O4 (100) como Fe3O4 (111) presentan terminaciones ricas en Fe a medida que se reduce la orilla de la muestra. La superficie de Fe3O4 (110) forma una reconstrucción unidimensional (1 × 3) ligada al nanofaceting, que expone la superficie Fe3O4 (111) más estable. α-Fe2O3 (0001) es la superficie hematita más estudiada, pero las dificultades para preparar superficies estequiométricas bajo condiciones de UHV han dificultado una determinación definitiva de la estructura. Hay evidencia de al menos tres terminaciones: una terminación similar a un volumen en el plano de oxígeno, una terminación con la mitad de la capa catiónica, y una terminación con grupos ferryl. Cuando se reduce la superficie, se forma la estructura llamada "bi-fase", que eventualmente se transforma en una terminación similar a Fe3O4 (111). La estructura de la superficie bifásica es controvertida; un modelo ampliamente aceptado de islas coexistentes Fe1-xO y α-Fe2O3 (0001) fue desafiado recientemente y se propuso una nueva estructura basada en una película delgada de Fe3O4 (111) sobre α-Fe2O3 (0001). Se discuten los méritos de los modelos competidores. Se recomienda la superficie "R-cut" de α-Fe2O3 (11¯02) como una excelente perspectiva para futuros estudios, dada su aparente facilidad de preparación y su prevalencia en nanomateriales.

En las últimas secciones se revisa la literatura referente a la adsorción en Oxido de Hierro. En primer lugar, se discute la adsorción de moléculas (H2, H2O, CO, CO2, O2, HCOOH, CH3OH, CCl4, CH3I, C6H6, SO2, H2S, etilbenceno, estireno y Alq3) y se intenta relacionar esta información a las reacciones en las que Oxido de hierro se utiliza como catalizador (desplazamiento agua-gas, Fischer-Tropsch, deshidrogenación de etilbenceno a estireno) o soportes catalíticos (oxidación de CO). Se describen las interacciones conocidas de las superficies de Oxido de hierro con los metales y se demuestra que el comportamiento se determina por si el metal forma una fase ternaria estable con el Oxido de Hierro. Los que no lo hacen (por ejemplo Au, Pt, Ag, Pd) prefieren formar partículas tridimensionales, mientras que el resto (Ni, Co, Mn, Cr, V, Cu, Ti, Zr, Sn, Li, K, Na , Ca, Rb, Cs, Mg, Ca) se incorporan dentro de la red de óxidos. La temperatura de incorporación varía con el calor de formación del óxido metálico más estable. Se hace un esfuerzo particular para subrayar los mecanismos responsables de la extraordinaria estabilidad térmica de los adatas metálicos aislados sobre las superficies de Fe3O4 y se discute la posible aplicación de este sistema modelo para comprender la catálisis de un átomo y la catálisis sub nano de grupos. La revisión termina con un breve resumen, y se ofrece una perspectiva que incluye líneas interesantes de investigación futura.

Este artículo proviene de la edición de sciencedirect editada