Heterogeneous catalysts are typically solid materials that participate in the conversion of reactants into products without being consumed during the reaction. However, these materials are not rigid and are subjected to changes under reaction conditions. As-synthesized catalyst can be best seen as a precursor to the active-phase and active-site ensemble, which is created under operational conditions. Near-ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (NAP-XPS) is a surface sensitive technique that allows the investigation of materials under reaction conditions enabling us to investigate the (reversible or irreversible) changes of a catalyst surface under operation. NAP-XPS combined near-ambient pressure X-ray absorption spectroscopy (NAP-XAS) are suitable experimental techniques to study the electronic structure, surface phase/state of the catalyst, and the surface species present and their coverage under reaction condition. When these techniques are combined with the detection of products of a reaction (operando) it allows us to identify reactive species and surface species that are tied to the selectivity of chemical reactions towards a certain product. This knowledge can lead us to a better understanding of reaction mechanisms and the development of better catalytic materials once the active surface state/species of a catalyst is known. In this presentation, different materials of (electro)catalytic interest studied with in-situ and operando NAP-XPS/XAS will be presented, showing the application of this techniques to investigate the solid-gas and solid-liquid interfaces. It will be shown how in-situ and operando NAP-XPS/XAS can be used to identify selective species and detect species that are only present at the surface under reaction conditions, being “invisible” on pre-reaction and post-reaction analysis for the (electro)catalytic material.

Curriculum vitae

Es investigadora en el sincrotrón BESSY II del Helmholtz Zentrum Berlin für Materialen und Energie y en el Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck en Alemania.

Estudió Química en la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Nacional de Córdoba (Argentina). Obtuvo su doctorado en el Instituto de Química de São Carlos – Universidad de São Paulo en Brasil, donde trabajó en la síntesis de nanopartículas soportadas para aplicaciones en electroquímica. Posteriormente realizó una etapa postdoctoral en el Departamento de Física Aplicada del Instituto de Física Gleb Watahin – Universidad Estadual de Campinas en Brasil, donde trabajó con Espectroscopía de Fotoelectrones de Rayos X y Microscopía de efecto túnel estudiando superficies decoradas como sistemas modelo para materiales de interés en (electro)catálisis.

Actualmente trabaja con espectroscopia de fotoelectrones de rayos X y espectroscopía de absorción de rayos X de forma in situ y operando aplicada al estudio de materiales (electro) catalíticos en las interfaces sólido-gas y sólido-líquido. Mantiene colaboraciones con investigadores del Instituto Balseiro de Bariloche y de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Nacional de Córdoba, en Argentina.

El uso de pulsos láser de femtosegundo intensos (∼10 mJ/cm2) en el régimen UV, VIS e IR cercano es una forma muy eficaz de promover reacciones en superficies metálicas cubiertas de adsorbatos.
Para estas longitudes de onda, una gran fracción de la luz es absorbida por los electrones del metal. Posteriormente, la energía se transfiere a los átomos de la red a través del acoplamiento electrón-fonón. Como resultado, los adsorbatos pueden obtener energía de los electrones y de los fonones excitados y experimentar diferentes reacciones, difusión e incluso desorción de la superficie. Este tipo de mecanismo de excitación puede aumentar significativamente la sección eficaz de las reacciones con respecto a lo que se observa en condiciones ordinarias de excitación térmica e incluso abrir nuevos canales de reacción. Un modelado preciso de estos experimentos requiere realizar simulaciones de dinámica molecular multidimensional en las que participen los adsorbatos y los átomos de la superficie excitada, tratando la interacción adsorbato-superficie metálica a nivel de la teoría del funcional de la densidad e incluyendo el acoplamiento de los adsorbatos al sistema electrónico excitado. Esto se ha logrado mediante el modelo de «dinámica
molecular ab initio con fricción electrónica y termostatos» desarrollado en nuestro grupo. El modelo incorpora tanto los canales de excitación electrónicos como fonónicos e incluye de forma natural todos los grados de libertad relevantes del sistema. El principal inconveniente de este método es el ser extremadamente exigente desde el punto de vista computacional, lo que limita el número de trayectorias que pueden calcularse y el tiempo de integración. Este problema se ha resuelto recientemente utilizando redes neuronales para construir superficies de energía potencial multidimensionales basadas en los datos ab initio, que permiten realizar las simulaciones de dinámica molecular requeridas con un coste computacional mucho menor. En esta charla, revisaré estos avances teóricos y su aplicación a dos importantes procesos inducidos por pulsos láser de femtosegundo, a saber, la fuerte dependencia con el recubrimiento de la desorción de CO en Pd(111) y la desorción y oxidación de CO en Ru(0001).

Curriculum vitae

Joseba Iñaki Juaristi Oliden es Catedrático del área de Física de la Materia Condensada en la Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea.

Obtuvo su doctorado en Físicas en 1996 bajo la dirección del Profesor Pedro Miguel Echenique. Desde 2008 forma parte del grupo Gas/Solid Interfaces del Centro de Física de Materiales que es Centro Mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y la Universidad del País Vasco. En este marco, su línea de investigación actual es el [estudio teórico de la dinámica de la interacción gas/superficie y la caracterización de procesos reactivos y no reactivos, haciendo especial hincapié en los efectos no-adiabáticos y de transferencia de energía. Ver la publicación en el Centro de Física de Materiales - Universidad del País Vasco.

Las técnicas utilizadas incluyen la teoría del funcional de densidad para caracterizar las estructuras electrónicas de los sistemas de interés, teoría de perturbaciones de muchos cuerpos y teoría de perturbaciones del funcional de densidad, dinámica molecular abinitio y métodos de aprendizaje máquina para construir superficies de potencial multidimensionales basadas en redes neuronales.

El profesor Juaristi mantiene colaboraciones activas con el Profesor Fabio Busnengo (Instituto de Física de Rosario), el Profesor Peter Saalfrank (Universidad de Potsdam) y el Profesor Bin Jiang (Universidad de Hefei) entre otros. Ha dirigido 5 tesis doctorales y ha publicado más de 130 artículos en revistas internacionales (más de 2800 citas y h=28, WOS) entre los que destacan 18 Physical Review Letters, 3 Journal of Physical Chemistry Letters, 1 Progress in Surface Science, 1 Applied Surface Science o 1 Journal of Chemical Theory and Computation (ver en ORCID).

Las superficies están en la frontera de todos los sólidos conocidos y a menudo, presentan diferentes estados electrónicos con respecto al resto. Para inducir nuevas propiedades cuánticas mediante difusión lateral y confinamiento, es de particular interés reducir con precisión atómica la dimensionalidad de los electrones de superficie. En la primera parte de la charla, me centraré en las investigaciones del confinamiento del estado de la superficie mediante redes nanoporosas (metal- )orgánicas 2D auto ensambladas de un solo átomo de espesor fabricadas en condiciones de ultraalto vacío [1]. Comenzando con el gas de electrones 2D cuasi-libre presente en los planos superficiales (111) de los metales nobles, se ilustra con medidas de microscopía y espectroscopía de efecto túnel (STM/STS) la intrigante complejidad y versatilidad estructural basada en moléculas. Siempre que las redes (metal-)orgánicas realizadas exhiban un orden a largo alcance, el potencial de la superficie es modificado. En consecuencia, surgen nuevas estructuras de bandas de superficie con rasgos característicos, que inducen fenómenos físicos notables como la discretización, el acoplamiento cuántico y una renormalización tanto en energía como en masa efectiva. Dichas bandas se miden con espectroscopía de fotoelectrones resuelta en ángulo (ARPES). Estos estados electrónicos colectivos pueden modificarse adicionalmente colocando átomos o moléculas en los nanoporos de dichas nanoarquitecturas.

Además, las redes metal-orgánicas 2D pertenecen a una amplia familia de materiales cuánticos con propiedades emergentes tales como aislantes topológicos orgánicos, nanoimanes, superconductores y sistemas líquidos de espín cuántico. Para lograr tales propiedades, es necesario mejorar las interacciones metal-ligando, logrando una deslocalización eficiente de electrones. En la segunda mitad de la charla, mostraré varias redes metal-orgánicas 2D con estructuras mixtas de tipo honeycomb-kagomé y deslocalización eficiente de electrones. Esto induce la formación de estructuras de bandas no convencionales (por ejemplo, bandas planas, de Dirac y kagomé) y ferromagnetismo 2D [2,3].

Curriculum vitae

Es investigador posdoctoral en el grupo del Profesor Johannes V. Barth en la Universidad Técnica de Múnich (TUM).

Ignacio es licenciado en Ingeniería Industrial (2012) y doctor en Física de Nanoestructuras y Materiales Avanzados por la Universidad del País Vasco (2018). Realizó su tesis doctoral bajo la supervisión del Dr. Jorge Lobo-Checa y el Profesor José E. Ortega (Centro de Física de Materiales (CFM), San Sebastián, España).

Las líneas de investigación a lo largo de su carrera científica se basan en la comprensión fundamental de las propiedades electrónicas de nanoestructuras moleculares (p. ej., redes moleculares nanoporosas), materiales 2D (p. ej., grafeno, nitruro de boro hexagonal) y nano arquitecturas basadas en carbono (p. ej., nano tiras de carbono, grafeno nanoporoso), todas ellas fabricadas en superficies y en condiciones de ultra alto vacío (UHV).

Las principales técnicas empleadas son la microscopía y espectroscopía de efecto túnel (STM/STS) y la espectroscopía de fotoelectrones resuelta en ángulo (ARPES). Recientemente ha recibido un subsidio de investigación para los próximos tres años por parte de la DFG (Fundación Alemana de Investigación) para poder emprender su propia línea de investigación dentro del grupo del Prof. Barth. Sus actividades de investigación interdisciplinares conllevan numerosas colaboraciones nacionales e internacionales en física y química.

El Dr. Piquero-Zulaica ha realizado mediciones de ARPES tanto en las instalaciones de las fuentes de radiación sincrotrón (p. ej., SLS de Suiza, BESSY de Alemania) como en laboratorios externos (p. ej., CFM y Universidad de Kaiserslautern, Alemania). Su producción científica asciende a más de 25 publicaciones en revistas internacionales y ha impartido una decena de charlas en conferencias e instituciones científicas.

Sus principales resultados pueden verse en Google Scholar.

Transition-metal oxides (TMOs) show remarkable properties, not found in standard semiconductors, such as high-temperature superconductivity, photo-catalytic capacity, or metal-to-insulator transitions. The realization of two-dimensional electron gases (2DEGs) in TMOs is crucial for harnessing the functionalities of these materials for future applications. Additionally, such 2DEGs offer the possibility to explore new physics emerging from the combined effects of electron correlations and low-dimensional confinement.

We found that 2DEGs can be simply realized at the surface of various insulating TMOs, such as the quantum paraelectric SrTiO3 [1], the strong spin-orbit coupled KTaO3 [2], or the photo-catalyst TiO2 [3]. I will show how the choice of the surface termination allows tailoring the electronic structure and symmetries of these 2DEGs [4-5], paving the way for the quest of topological states in correlated oxides. Furthermore, I will discuss our observation of magnetism in the 2DEG at the oxygen-deficient surface of SrTiO3 [6]. I will then describe our recent development of a simple method to fabricate these 2DEGs in several other oxides, such as the ferroelectric BaTiO3 [7] or the semiconductor ZnO [8]. This novel fabrication technique allows engineering functional interfaces between the 2DEG and, e.g., tunable magnetic layers [9], and measuring their transport characteristics [10] –and is thus promising for applications.

Curriculum vitae

Es Profesor del Institut des Sciences Moléculaires d`Orsay de la Universidad de Paris-Saclay, Francia, donde también trabaja como investigador.

El Dr. Andrés Santander es un experto en el estudio de sistemas altamente correlacionados mediante la técnica de Espectroscopía de Fotoelectrones resuelta en ángulo (ARPES).

Mantiene colaboraciones con la Dra. Karen Hallberg del Grupo de Sólidos del CAB y con el Dr. Rubén Weht del Grupo de Materia Condensada del CAC mediante el proyecto Exotic electronic states in correlated and functional materials (EXCELSIOR) otorgado por International Research Project del CNRS.

Lidera el grupo “Sistemas fuertemente correlacionados y nuevos estados electrónicos de la materia”. Su investigación de concentra en el estudio de sistemas con electrones altamente correlacionados y materiales cuánticos. En estos materiales se evidencia el confinamiento por baja dimensionalidad o comportamiento correlacionado. Los temas que se abordarán es este encuentro son sistemas 2D en óxidos funcionales.

El Dr. Santander-Syro realiza frecuentemente mediciones de ARPES en las instalaciones de las fuentes de Radiación Sincrotrón SOLEIL de Francia, BESSY de Alemania y KEK-PF y HiSOR de Japón. Además, el Dr. Santander-Syro tiene la posición de Profesor en la Universidad de Paris-Saclay, Orsay, Francia. Ha sido invitado a impartir 50 charlas en congresos internacionales y 7 cursos en escuelas internacionales.

Su trayectoria y principales resultados puede verse en el sitio web de la Universidad de Paris-Saclay.

LiCoO2 (LCO) is one of the most common cathode material in rechargeable Li-ion batteries, mainly due to its high-energy capacity and good cyclability [1]. This material undergoes a complex, and not yet fully understood, set of phase transitions during Li deintercalation that plays a key role on battery performance and degradation. Stoichiometric LCO (x=1) is an insulator, but upon Li removal of 0.5% (x=0.95) it undergoes an insulator to metal transition of yet unclear origin and interpretation (Mott vs. Anderson type)[2,3]. The metallic phase has the same crystalline structure (R-3m) as the insulating one, however it has slightly different lattice parameters. These two hexagonal phases coexist in the range 0.95<x<0.75 [4]. The formation of the metallic phase is explained by hole doping of the Co t2g band [5] after Li deintercalation, but the modifications experienced by the electronic structure are still controversial [2,3].

In this work we analyze high-quality epitaxial thin films of LCO grown by pulsed laser deposition on Nb- doped SrTiO3(111). We perform high resolution Angle Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES), X- ray Spectroscopy (XPS) and X-ray Absorption Spectroscopy (XAS), using synchrotron light, to characterize the electronic properties of LCO for different Li molar fraction values (x). The changes in the electronic structure during the metal-insulator transition are observed under ultra high vacuum conditions and the quality of the surface has been verified thoroughly throughout the process. We obtain detailed Fermi surfaces and constant energy surfaces, as well as band dispersion maps for the discharged (x=1) and partially charged (x<1) LCO epitaxial films. Information about the chemical and structural changes is obtained from high-resolution Co 3p, Li 1s and O 1s core levels and from the Co L and O K absorption edges.

The expected formation of Co4+ and of oxygen holes related to the metallization, are studied in the context of the partial hybridization of Co 3d and O 2p orbitals. We report the formation of a hole-like metallic band and measure the effective mass of the carriers, before and after Li deintercalation. A change in the band dispersion and a reorganization of spectral weights at the Fermi surface is also described for large hole doping levels. We present results that clarify the controversial topics regarding the metallization and charge compensation during Li deintercalation[4,6].

Curriculum vitae

Es Profesora de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y trabaja con el Prof. Enrique García Michel en el laboratorio de Propiedades Electrónicas de Nuevos Materiales (EPNM) del Departamento de Física de la Materia Condensada. Es Licenciada en Física en 1994, realizó su tesis doctoral bajo la supervisión de E.G. Michel. Realizó estancias posdoctorales en el grupo de Fotoemisión Angular de Alta Resolución del Prof. Yves Baer.

Colabora con Silvina Bengió en el proyecto Band structure of the topological semimetal candidate PtBi2 cubic phase, donde además participan Enrique García Michel (UAM) y Víctor Correa, Pablo Pedrazzini, Daniel García y Jorge Facio del Centro Atómico Bariloche.

Las líneas de investigación a lo largo de su carrera científica se han basado en el estudio de la estructura electrónica de materiales artificiales e interfases en superficies nanoestructuradas. La principal técnica empleada ha sido la Fotoemisión Resuelta en Ángulo (ARPES) que permite la visualización de la función espectral de estos sistemas.

Ha participado en más de 25 proyectos dedicados al estudio de fenómenos colectivos y confinamiento cuántico en sistemas de baja dimensionalidad como la estructura electrónica de sistemas moleculares auto-organizados en superficies, nanoestructuras en superficies escalonadas, sistemas bimetálicos con transiciones de fase dirigidas por ondas de densidad de carga (CDW), confinamiento electrónico vertical (QWS) y estudio de superficies con separación espín órbita gigante (SOC).

Actualmente en su grupo se están llevando a cabo investigaciones sobre la estructura electrónica y geométrica para óxidos de metales de transición dopados con Li (LiCoO2), en los que se basan las baterías de Litio.

In the time of the „Energiewende“, the conversion of renewable energies such as sunlight and wind to storable energy forms is a primary target of research. Equally important is the search for suitable chemical storage media, in addition to batteries, as well as reliable catalysts for back-conversion, that is, the on-demand release of energy in various forms. Making progress in these areas requires a fundamental understanding of the materials involved, and the relevant molecular processes. Our approach to obtain detailed molecular insights is to perform model surface science studies under well-defined conditions, mainly with in situ X-ray photoelectron spectroscopy using lab-sources or synchrotron radiation. In this presentation, we will discuss several examples where we have gained new insights: (1) Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHCs), which are important candidates for the large-scale storage of hydrogen; (2) Molecular Solar Thermal Energy (MOST) systems, which allow energy to be stored in strained chemical bonds; (3) the Solid Catalyst with Ionic Liquid Layer (SCILL) approach, in which a conventional heterogeneous catalyst surface is modified by an ultrathin ionic liquid film, to be potentially used in efficient back-conversion reactions.

Curriculum vitae

Es Profesor de Universidad Erlangen-Nürnberg, Alemania. Realiza investigaciones en el campo de la física y química de superficies con un enfoque interdisciplinar, con numerosas colaboraciones en física, química, ingeniería y ciencia de los materiales. Desde 1998 dirige un grupo de investigación internacional, interdisciplinario y es líder en su campo de investigación (h-index 80, 22052 citas).

Mantiene una estrecha colaboración con el Dr. Federico Williams, de la Universidad de Buenos Aires.

A lo largo de su carrera ha recibido numerosos subsidios de investigación. La producción científica de su grupo de investigación ha resultado en más de 415 publicaciones en revistas internacionales y el Prof. Steinrück ha brindado más de 260 charlas invitadas en conferencias e instituciones científicas.

Las actividades de investigación siguen un enfoque interdisciplinar con numerosas colaboraciones locales, nacionales e internacionales en física, química, ingeniería y ciencia de los materiales y entre las líneas de investigación destacadas se encuentran los estudios sobre la ciencia de superficies de líquidos iónicos, la adsorción y reactividad de metaloporfirinas en superficies, estudios in situ de reacciones químicas en superficies y otras cuya descripción detallada puede encontrarse en el sitio web de la Friederich-Alexander-Universität.

The benchmark technique for quantitative determination of the location of adsorbed atoms and molecules on surfaces is still QLEED (quantitative low energy electron diffraction) in which the energy dependence of diffracted beams of low energy electrons are compared with simulations based on a range of alternative model structures. However, the use of QLEED has fallen out of favour for a number of reasons, including the computational demands of the simulations, but also the lack of elemental and chemical state specificity, of particular importance for adsorbed molecules. Nevertheless, a small number of alternative quantitative experimental methods are available. However, in recent years structural studies have been dominated by scanning tunnelling microscopy (STM) and density functional theory (DFT) calculations, either singly or together. STM provides real-space images with atomic resolution, but these images are of variations in the LDOS at the surface, and not, as they appear be, of atomic positions. They provide a quantitative measure of the surface periodicity, but not of the atomic positions. DFT calculations provide the optimum atomic positions for specific model structures, but these structural ‘solutions’ depend on the initial choice of structural models.

One example of the limitations of the STM/DFT approach is in the study of 7,7,8,8 tetracyanoquinodimethane (TCNQ) and its fluorinated variant, F4TCNQ on Au, Ag and Cu(111) surfaces. As isolated molecules these are rigidly planar, but they are strong electron donors, and when adsorbed on surfaces the transfer of electrons to the surface leads to the molecules becoming flexible. Over the last decade a series of DFT publications have concluded that adsorbed on unreconstructed coinage metal surfaces these molecules adopt an umbrella configuration with the cyano N atoms some 0.5 Å closer to the surface than the core quinone ring. This structure is qualitatively consistent with STM images. However, NIXSW (normal incidence X-ray standing wave) measurements show that this structure is not correct; in most cases the molecules adopt a twisted confirmation. DFT calculations including the possibility of reconstruction of the outermost metal layer show that the NIXSW results are consistent with a structural model in which metal adatoms are incorporated into the adsorbed molecular layer. Surface X-ray diffraction provides direct experimental evidence for the presence and location of these metal adatoms.

Curriculum vitae

Es Profesor de la Universidad de Warwick y uno de los pioneros en el desarrollo y aplicación de técnicas de superficies.

Fue el principal disertante en el primer encuentro en San Carlos de Bariloche en 2004 y ha mantenido una estrecha colaboración con Silvina Bengió y Hugo Ascolani.

Miembro fundador del Departamento de Física de la Universidad de Warwick. El Prof. Woodruff mantuvo asiduas colaboraciones con el Fritz Haber Institute de la Sociedad Max Planck en Berlin y con centros de luz sincrotrón de Wisconsin, New York, California, Paris, Berlin, Grenoble, por supuesto en Cheshire y actualmente en la facilidad Diamond.

Su área principal de trabajo es la física de superficies, el entendimiento de las propiedades estructurales, electrónicas y químicas de superficies sólidas e interfases a nivel atomístico.

El abordaje a estos estudios fue principalmente con las técnicas de UHV de difracción de fotoelectrones (PhD) y Absorción del campo de ondas estacionarias de RX (NIXSW). Desarrolló junto al Prof. Alex Bradshaw la técnica de PhD en el Fritz Haber Institute, en líneas del sincrotrón BESSY.

Su prolífica trayectoria (h-index 68, 17.303 citas) y trabajos científicos aplicando estas técnicas a numerosos sistemas compuestos por átomos y moléculas adsorbidos en superficies metálicas mayormente, puede verse en mayor detalle en la plataforma Research Gate y en la Universidad de Warwick.