Surface investigations of wollastonite at the atomic scale

Abstract

Wollastonit, ein Calciumsilikatmineral (CaSiO3), wird in verschiedenen Industrien wie Keramik und Polymeren häufig verwendet. Es ist auch aufgrund seines Potentials zur CO2-Sequestrierung durch ”erhöhte Gesteinensverwitterung” (enhanced rock weathering) und als Modellsystem zur Untersuchung der Zementhydratation interessant. Diese Arbeit präsentiert die ersten atomar aufgelösten Bilder der energetisch niedrigsten Oberfläche von Wollastonit, die mithilfe der kontaktlosen Rasterkraftmikroskopie (nc-AFM) im Ultrahochvakuum (UHV) gewonnen wurden. Zur Unterstützung der Interpretation der experimentellen Ergebnisse wurden zusätzlich Dichtefunktionaltheorie Berechnungen von Kollegen durchgeführt. Zunächst wurde die gespaltene Oberfläche von Wollastonit unter Umgebungsbedingungen untersucht, um ihre Eignung für Untersuchungen im Vakuum zu bestätigen. Nachfolgende nc-AFM-Bilder im UHV zeigten ein Gitter aus Calciumionen auf der Oberfläche. Im Folgenden wurde auf die Oberfläche bei 100 K Wasser dosiert, was eine molekulare Adsorption auf dem Calciumgitter zeigte. Theoretische Berechnungen deuteten daraufhin, dass zusätzliches Wasser wahrscheinlich immer in den unteren Oberflächenpositionen befindet,die durch AFM nicht nachweisbar sind. Erste Experimente zur Dosierung von Kohlendioxid wurden ebenfalls durchgeführt, wobei die zugehörigen Berechnungen die Bildung von Carbonat (CO3) auf der Oberfläche nahelegten. Insgesamt liefern diese Ergebnisse neue Einblicke in die Oberflächeneigenschaften und Reaktivität von Wollastonit.

Wollastonite, a calcium silicate mineral (CaSiO3), is widely used in several industries such as ceramics and polymers. It is also interesting due to its potential for CO2 sequestration in enhanced rock weathering and as a model system the help understand cement hydration. This thesis presents the first atomically resolved images of the lowest-energy surface of wollastonite, obtained using non contactatomic force microscopy (nc-AFM) in ultrahigh vacuum (UHV). To aid in the interpretation of the experimental results, additional density functional theory calculations were performed by colleagues. Initially, the cleaved surface of wollastonite was examined in ambient conditions to confirm its suitability for in-vacuum investigations. Subsequent nc-AFM images in UHV revealed acalcium ion lattice on the surface. Following these observations, water was dosed onto the surfaceat 100 K, showing molecular adsorption atop the calcium lattice. Theoretical calculations indicated that additional water is likely always present beneath the surface, occupying deeper-lying surfacesites that are not detectable by AFM. Preliminary experiments dosing carbon dioxide were also performed, the associated calculations suggesting the formation of carbonate (CO3) on the surface.Overall these findings provide new insights into the surface properties and reactivity of wollastonite.