Detection of the electronic structure of iron-(iii)-oxo oligomers forming in aqueous solutions

文献情報

出版日 2017-11-13
DOI 10.1039/C7CP06945F
インパクトファクター 3.676
著者

Katrin Kraffert, Marvin N. Pohl, Ralph Kraehnert, Franziska Emmerling, Bernd Winter


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要旨

The nature of the small iron-oxo oligomers in iron-(III) aqueous solutions has a determining effect on the chemical processes that govern the formation of nanoparticles in aqueous phase. Here we report on a liquid-jet photoelectron-spectroscopy experiment for the investigation of the electronic structure of the occurring iron-oxo oligomers in FeCl3 aqueous solutions. The only iron species in the as-prepared 0.75 M solution are Fe3+ monomers. Addition of NaOH initiates Fe3+ hydrolysis which is followed by the formation of iron-oxo oligomers. At small enough NaOH concentrations, corresponding to approximately [OH]/[Fe] = 0.2–0.25 ratio, the iron oligomers can be stabilized for several hours without engaging in further aggregation. Here, we apply a combination of non-resonant as well as iron 2p and oxygen 1s resonant photoelectron spectroscopy from a liquid microjet to detect the electronic structure of the occurring species. Specifically, the oxygen 1s partial electron yield X-ray absorption (PEY-XA) spectra are found to exhibit a peak well below the onset of liquid water and OH− (aq) absorption. The iron 2p absorption gives rise to signal centered between the main absorption bands typical for aqueous Fe3+. Absorption bands in both PEY-XA spectra are found to correlate with an enhanced photoelectron peak near 20 eV binding energy, which demonstrates the sensitivity of resonant photoelectron (RPE) spectroscopy to mixing between iron and ligand orbitals. These various signals from the iron-oxo oligomers exhibit maximum intensity at [OH]/[Fe] = 0.25 ratio. For the same ratio, we observe changes in the pH as well as in complementary Raman spectra, which can be assigned to the transition from monomeric to oligomeric species. At approximately [OH]/[Fe] = 0.3 we begin to observe particles larger than 1 nm in radius, detected by small-angle X-ray scattering.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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