Диссоциативная адсорбция
Диссоциативная адсорбция — это процесс, при котором молекула адсорбируется на поверхности и одновременно диссоциирует на два или более фрагментов. Этот процесс лежит в основе многих приложений, особенно в гетерогенного катализа реакциях . Диссоциация включает разрыв молекулярных связей в адсорбате и образование новых связей с подложкой.
Разрыв атомных связей диссоциирующей молекулы требует большого количества энергии, поэтому диссоциативная адсорбция является примером хемосорбции , при которой создаются прочные связи адсорбат-субстрат. [ 1 ] Эти связи могут быть атомными , ионными или металлическими по своей природе. В отличие от диссоциативной адсорбции, при молекулярной адсорбции адсорбат остается неповрежденным, поскольку он связывается с поверхностью. Часто состояние молекулярной адсорбции может выступать в качестве предшественника процесса адсорбции, после которого молекула может диссоциировать только после того, как будет доступно достаточно дополнительной энергии. [ 2 ]
Процесс диссоциативной адсорбции может быть гомолитическим или гетеролитическим в зависимости от того, как в процессе диссоциации разделяются электроны, участвующие в молекулярной связи. При гомолитической диссоциативной адсорбции электроны распределяются между фрагментами поровну, а при гетеролитической диссоциации оба электрона связи передаются одному фрагменту. [ 1 ]
Кинетическая теория
[ редактировать ]В модели Ленгмюра
[ редактировать ]Модель адсорбции Ленгмюра. [ 2 ] предполагает
- Максимальное покрытие составляет одну молекулу адсорбата на участок подложки.
- Независимые и эквивалентные центры адсорбции.
Эта модель представляет собой простейшее полезное приближение, которое все еще сохраняет зависимость скорости адсорбции от степени покрытия и в простейшем случае не учитывает состояния-предшественники. Чтобы диссоциативная адсорбция была возможной, каждая падающая молекула требует n доступных мест адсорбции, где n — количество диссоциированных фрагментов. Вероятность попадания падающей молекулы на сайт с допустимой конфигурацией имеет вид
,
когда существующее покрытие равно θ и продукты диссоциации подвижны на поверхности. Порядок кинетики процесса равен n . Порядок кинетики влияет на коэффициент прилипания.
,
где обозначает начальный коэффициент прилипания или коэффициент прилипания при нулевом покрытии. адсорбции Кинетика определяется выражением
для (n=2),
где I — падающий поток молекул на поверхность. Форма функции покрытия во времени различна для каждого кинетического порядка, поэтому, если предположить, что десорбция незначительна, диссоциативную адсорбцию для системы, следующей модели Ленгмюра, можно определить путем мониторинга скорости адсорбции как функции времени под постоянным падающим потоком.
Состояния-предшественники
[ редактировать ]Часто адсорбирующая молекула не диссоциирует непосредственно при контакте с поверхностью, а вместо этого сначала связывается с промежуточным состоянием-предшественником . Затем молекула может попытаться диссоциировать до конечного состояния посредством флуктуаций. Молекулы-предшественники могут быть внутренними , то есть они занимают пустой сайт, или внешними , то есть они связаны поверх уже занятого сайта. Энергии этих состояний также могут быть разными, что приводит к разным формам общего коэффициента прилипания. . Если предположить, что внешние и внутренние центры энергетически эквивалентны, а скорость адсорбции в состояние-предшественник соответствует модели Ленгмюра, получается следующее выражение для зависимости полного коэффициента прилипания от покрытия:
,
где К – соотношение констант скорости реакций диссоциации и десорбции прекурсора. [ 2 ]
Температурная зависимость
[ редактировать ]Поведение коэффициента прилипания в зависимости от температуры определяется формой потенциальной энергии поверхности адсорбции. Для прямого механизма коэффициент прилипания практически не зависит от температуры, поскольку для большинства систем . Когда задействовано состояние-предшественник, тепловые флуктуации определяют вероятность того, что слабосвязанный предшественник либо диссоциирует в конечное состояние, либо покидает поверхность. Начальный коэффициент прилипания связан с энергетическим барьером диссоциации. и десорбция , и их константы скорости и как
.
Отсюда возникают два различных случая температурной зависимости:
- Когда Коэффициент прилипания увеличивается с ростом температуры подложки. Это случай активированной адсорбции.
- Когда Коэффициент прилипания уменьшается с увеличением температуры подложки. Таково поведение неактивированной адсорбции.
Измерив коэффициент прилипания при различных температурах, можно получить значение . [ 2 ]
Экспериментальные методы
[ редактировать ]Измерение адсорбционных свойств основано на контроле и измерении покрытия поверхности и условий, включая температуру подложки, поток падающих молекул или парциальное давление. [ 2 ] Для обнаружения диссоциации на поверхности используются дополнительные методы, позволяющие различить упорядочение поверхности вследствие взаимодействия диссоциированных фрагментов, идентифицирующие десорбированные частицы. [ 3 ] [ 4 ] , определить порядок кинетики [ 5 ] или измерить энергию химических связей адсорбированных частиц. [ 6 ] [ 7 ] . Во многих экспериментах для формирования полной картины адсорбированных частиц используется комбинация нескольких методов, исследующих различные свойства поверхности. Сравнение экспериментальной энергии адсорбции и смоделированных энергий диссоциативной и молекулярной адсорбции также может указать тип адсорбции системы. [ 8 ]
Для измерения изотерм адсорбции контролируемое давление и температура газа определяют покрытие, когда скорости адсорбции и десорбции находятся в равновесии. [ 2 ] [ 9 ] Затем покрытие можно измерить с помощью различных методов, чувствительных к поверхности, таких как AES или XPS . Часто покрытие также может быть связано с изменением работы выхода поверхности , [ 9 ] что может обеспечить более быстрые измерения в сложных условиях. [ 4 ] Форма изотерм чувствительна к порядку кинетики процессов адсорбции и десорбции. [ 2 ] и хотя найти точные формы может быть трудно, моделирование использовалось для поиска общих функциональных форм изотерм диссоциативной адсорбции для конкретных систем. [ 10 ]
XPS - это поверхностно-чувствительный метод, который позволяет напрямую исследовать химические связи поверхностных атомов и, таким образом, способен различать энергии связей, соответствующие интактным молекулам или диссоциированным фрагментам. Проблема этого метода заключается в том, что падающие фотоны могут вызывать модификации поверхности, которые трудно отделить от эффектов, которые необходимо измерить. [ 7 ] [ 11 ] Картины LEED часто комбинируются с другими измерениями для проверки структуры поверхности и распознавания упорядоченности адсорбатов. [ 4 ] [ 6 ] [ 7 ]
Десорбция с программированием температуры (TPD или TDS) может использоваться для измерения свойств десорбции, а именно энергии десорбции, порядка кинетики десорбции и начального покрытия поверхности. [ 2 ] Порядок десорбции содержит информацию о таких механизмах, как рекомбинация, необходимых для процесса десорбции. Поскольку TPD также измеряет массы десорбированных частиц, его можно использовать для обнаружения индивидуально десорбированных диссоциированных фрагментов или их различных комбинаций. [ 5 ] Наличие масс, отличных от исходных молекул, или обнаружение дополнительных пиков десорбции с кинетикой более высокого порядка может указывать на диссоциативный характер адсорбции.
Моделирование
[ редактировать ]Теорию функционала плотности (DFT) можно использовать для расчета изменения энергии, вызванного адсорбцией и диссоциацией молекул. [ 12 ] [ 13 ] Энергия активации рассчитывается как наивысшая энергетическая точка на оптимальных молекулярных путях фрагментов при их переходе из исходного молекулярного состояния в диссоциированное состояние. [ 13 ] Это седловая точка поверхности потенциальной энергии процесса. [ 9 ]
Реакция | количество сайтов | сайты | |
---|---|---|---|
НЕТ + Ni(100) → N/Ni(100) + O/Ni(100) | 2 | гл | -33.7 |
H 2 O + Pd(111) → OH/Pd(111) + H/Pd(111) | 2 | топ + ФКК | 7.15 |
H2 + Ni(111) → 2H/Ni(111) | 2 | гл | -23.9 |
H 2 + Pd(111) → 2H/Pd(111) | 2 | ФКК | -23.3 |
Другой подход к рассмотрению растяжения и диссоциации адсорбатов заключается в переносе заряда между электронными зонами вблизи поверхности Ферми с использованием теории молекулярных орбиталей (МО) . Сильный перенос заряда, вызванный перекрытием незанятых и занятых орбиталей, ослабляет молекулярные связи, что снижает или полностью устраняет барьер диссоциации. Перенос заряда может быть локальным или делокализованным по электронам подложки в зависимости от того, какие орбитали участвуют во взаимодействии. Самый простой метод, используемый для аппроксимации электронной структуры систем с использованием теории МО, - это самосогласованное поле Хартри-Фока , которое можно расширить, включив в него электронные корреляции с помощью различных приближений. [ 12 ]
Приложения и примеры
[ редактировать ]Вода и переходные металлы
[ редактировать ]В атмосферных условиях адсорбция воды и кислорода на поверхности переходных металлов является хорошо изученным явлением. Также было обнаружено, что содержание диссоциированного кислорода на поверхности снижает энергию активации диссоциации воды, которая на чистой металлической поверхности может иметь высокий барьер для диссоциации. Это объясняется тем, что атомы кислорода связываются с одним водородом адсорбирующей молекулы воды с образованием энергетически выгодной гидроксильной группы. [ 13 ] Аналогичным образом, молекулярная предварительно адсорбированная вода может использоваться для снижения барьера диссоциации кислорода, который необходим в реакциях окисления, катализируемых металлами. Соответствующими эффектами для этой стимулирующей роли являются водородные связи между молекулой воды и кислородом, а также электронная модификация поверхности адсорбированной водой. [ 15 ]
На чистых плотноупакованных поверхностях Ag , Au , Pt , Rh и Ni диссоциированный кислород предпочитает адсорбцию на полых участках. Гидроксил и молекулярная вода предпочитают адсорбироваться на верхних участках с низкой координацией, тогда как диссоциированные атомы водорода предпочитают полые места для большинства переходных металлов. Типичный путь диссоциации этих металлов заключается в том, что при диссоциации молекулы, адсорбированной в верхнем участке, по крайней мере один фрагмент мигрирует в мостик или полый участок. [ 13 ]
Образование и диссоциация воды на переходных металлах, таких как палладий, имеет важное применение в реакциях получения водорода и для работы топливных элементов с протонообменной мембраной , и для понимания этого явления было проведено много исследований. Определяющей реакцией образования воды является образование адсорбированного ОН. Однако детали конкретных мест адсорбции и предпочтительных путей реакции образования воды определить трудно. На основе кинетического моделирования Монте-Карло в сочетании с расчетами энергетики реакции методом DFT было обнаружено, что в образовании воды на Pd (111) преобладают ступенчатые края за счет комбинации реакций:
- О + Н → ОН
- ОО + Ч → ООХ
- ОХ → ОН + Н
- ОН + ОН → Н 2 О + О
- ОН + Н → Н 2 О
При низких температурах и низком относительном давлении H 2 преобладающим путем реакции образования гидроксильных групп является прямая ассоциация O и H, причем соотношения каждого пути реакции существенно изменяются в разных условиях. [ 16 ]
Металл-катализируемое окисление
[ редактировать ]окиси При окислении углерода в каталитических нейтрализаторах используется поверхность переходного металла в качестве катализатора реакции .
- 2СО + О 2 → 2СО 2 .
Эта система была тщательно изучена с целью минимизировать выбросы токсичного CO из двигателей внутреннего сгорания , и при подготовке поверхности платинового катализатора существует компромисс между диссоциативной адсорбцией кислорода и прилипанием CO к поверхности металла. Большая плотность ступеней увеличивает диссоциацию кислорода, но в то же время снижает вероятность окисления СО. Оптимальная конфигурация реакции — CO на плоской террасе и диссоциированный O на краю ступеньки. [ 12 ]
Водородная экономика
[ редактировать ]Наиболее распространенный метод производства водорода, паровой риформинг , основан на использовании катализаторов на основе переходных металлов, которые диссоциативно адсорбируют исходные молекулы реакции с образованием промежуточных продуктов, которые затем могут рекомбинировать с образованием газообразного водорода. Кинетические модели возможных путей диссоциативной адсорбции использовались для моделирования свойств реакции. [ 17 ]
Способ очистки водорода включает пропускание газа через тонкую пленку сплава Pd-Ag между двумя газовыми сосудами. Газообразный водород диссоциирует на поверхности пленки, после чего отдельные атомы могут диффундировать через металл и рекомбинировать, образуя атмосферу с более высоким содержанием водорода внутри приемного резервуара низкого давления. [ 18 ]
Проблемой при хранении и транспортировке водорода через обычные стальные сосуды является крекинг, вызванный водородом, когда атомы водорода проникают в стенки контейнера в результате диссоциативной адсорбции. Если внутри материала накапливается достаточное парциальное давление, это может вызвать трещины, вздутие или охрупчивание стенок. [ 19 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Беруэлл, Роберт Л. (1976). «Руководство по символам и терминологии физико-химических величин и единиц - Приложение II. Определения, терминология и символы в коллоидной и поверхностной химии. Часть II: Гетерогенный катализ» . Чистая и прикладная химия . 46 : 76. дои : 10.1351/pac197646010071 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Оура, Кенджиро; Катаяма, Мицухиро; Зотов Андрей Владимирович; Лифшитс, Виктор Г.; Саранин, Александр А. (2003). Наука о поверхности – Введение . Берлин, Гейдельберг: Springer. стр. 100-1 295–323. ISBN 978-3-662-05179-5 .
- ^ Мукерджи, Р.Дж.; Болина, А.С.; Браун, Вашингтон (22 ноября 2003 г.). «Влияние стадий на диссоциацию NO на поверхности Pt: температурно-программированные десорбционные исследования адсорбции NO на Pt{211}» . Журнал химической физики . 119 (20): 10844–10852. дои : 10.1063/1.1619940 . ISSN 0021-9606 .
- ^ Jump up to: а б с Чаглар, Басар; Кизилкая, Али Джан; Ниеманцвердриет, Й.В. (Ганс); Вестстрат, CJ (Кис-Джан) (2 января 2018 г.). «Применение измерений работы выхода при изучении поверхностных катализируемых реакций на Rh(1 0 0)» . Катализ, структура и реакционная способность . 4 (1): 1–11. дои : 10.1080/2055074X.2018.1434986 . hdl : 11147/9290 . ISSN 2055-074X .
- ^ Jump up to: а б Кристманн, Клаус (2012). «Термодинамика и кинетика адсорбции» (PDF) . Серия лекций IMPRS 2012: «Экспериментальные и теоретические методы в науках о поверхности» . Проверено 29 мая 2024 г.
- ^ Jump up to: а б Конг, Дандан; Чжу, Цзюньфа; Эрнст, Карл-Хайнц (24 марта 2016 г.). «Низкотемпературная диссоциация CO 2 на модельном катализаторе Ni/CeO 2 (111)/Ru(0001)» . Журнал физической химии C. 120 (11): 5980–5987. дои : 10.1021/acs.jpcc.5b10338 . ISSN 1932-7447 .
- ^ Jump up to: а б с Глэдис, MJ; Эль Зейн, А.А.; Миккельсен, А.; Андерсен, Дж. Н.; Хелд, Г. (2008). «Химический состав и реакционная способность воды по чистому и кислородопокрытому Pd{111}» . Поверхностная наука . 602 (22): 3540–3549. дои : 10.1016/j.susc.2008.09.031 . ISSN 0039-6028 .
- ^ или диссоциативная адсорбция воды на чистых и предварительно покрытых кислородом поверхностях Ni (111)». Чжу, Лиу, Чуньли; Вэнь, Сяодун; Ли, Юн-Ван; Цзяо, Хайцзюнь (2019). « Молекулярная Технол . 9 (1): 199–212. doi : 10.1039/C8CY02198H .
- ^ Jump up to: а б с Кристманн, Клаус (2018). «Некоторые основные процессы на поверхности на примере взаимодействия водорода с переходными металлами» . Энциклопедия межфазной химии . Эльзевир. стр. 213–220. ISBN 9780128098943 . Проверено 29 мая 2024 г.
- ^ Дэниэлсон, Томас; Хин, Селин; Савара, Адитья (10 августа 2016 г.). «Обобщенные изотермы адсорбции молекулярной и диссоциативной адсорбции полярных молекулярных частиц на двух полярных поверхностях: перовските (100) (Pm-3m) и флюорите (111) (Fm-3m)» . Журнал химической физики . 145 (6). Бибкод : 2016JChPh.145f4705D . дои : 10.1063/1.4960508 . ISSN 0021-9606 . ОСТИ 1311241 .
- ^ Пачека, М.; Штурм, Дж. М.; Ли, CJ; Бийкерк, Ф. (30 марта 2017 г.). «Адсорбция и диссоциация CO 2 на Ru(0001)» . Журнал физической химии C. 121 (12): 6729–6735. дои : 10.1021/acs.jpcc.7b00021 . ISSN 1932-7447 . ПМЦ 5388902 . ПМИД 28413569 .
- ^ Jump up to: а б с Тафт, Калифорния; Гимарайнш, TC; Павао, AC; Лестер, Вашингтон (1999). «Адсорбция и диссоциация двухатомных молекул на поверхности переходных металлов» . Международные обзоры по физической химии . 18 (2): 163–233. Бибкод : 1999IRPC...18..163T . дои : 10.1080/014423599229947 . ISSN 0144-235X .
- ^ Jump up to: а б с д и Мякинен, Марио; Лаасонен, Кари (2023). «Исследование тенденций диссоциации воды на предварительно адсорбированных кислородом и чистых поверхностях переходных металлов теорией функционала плотности» . Поверхностная наука . 734 : 122305. Бибкод : 2023SurSc.73422305M . дои : 10.1016/j.susc.2023.122305 . ISSN 0039-6028 – через Elsevier Science Direct.
- ^ Араужо, Рафаэль Б; Родригес, Габриэль Л.С.; дос Сантос, Эгон Кампос; Петтерссон, Ларс ГМ (2022). «Энергия адсорбции на поверхностях переходных металлов: к точному и сбалансированному описанию» . Природные коммуникации . 13 (1): 6853. Бибкод : 2022NatCo..13.6853A . дои : 10.1038/s41467-022-34507-y . ПМЦ 9652424 . ПМИД 36369277 .
- ^ Ян, Мин; Хуан, Чжэн-Цин; Чжан, Ю; Чанг, Чун-Ран (2017). «Тенденции в диссоциации кислорода, вызванной водой, на поверхностях переходных металлов из первых принципов» . Физическая химия Химическая физика . 19 (3): 2364–2371. Бибкод : 2017PCCP...19.2364Y . дои : 10.1039/C6CP06974F . ISSN 1463-9076 . ПМИД 28054681 .
- ^ Дитце, Элизабет М.; Чен, Линь; Грёнбек, Хенрик (08 февраля 2022 г.). «Ступени на поверхности доминируют в образовании воды на поверхностях Pd (111)» . Журнал химической физики . 156 (6). Бибкод : 2022JChPh.156f4701D . дои : 10.1063/5.0078918 . ISSN 0021-9606 . ПМИД 35168342 .
- ^ Хоу, Кайху; Хьюз, Рональд (2001). «Кинетика паровой конверсии метана на катализаторе Ni/α-Al2O» . Химико-технический журнал . 82 (1): 311–328. дои : 10.1016/S1385-8947(00)00367-3 . ISSN 1385-8947 .
- ^ Хойссингер, Питер; Ломюллер, Райнер; Уотсон, Аллан М. (2011). «Водород, 3. Очистка». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . John Wiley & Sons, Ltd. doi : 10.1002/14356007.o13_o04 . ISBN 9783527306732 .
- ^ Сунь, Инхао; Ченг, Ю. Франк (2021). «Термодинамика спонтанной диссоциации и диссоциативной адсорбции молекул водорода и адсорбции и абсорбции атомов водорода на стали в условиях трубопроводов» . Международный журнал водородной энергетики . 46 (69): 34469–34486. Бибкод : 2021IJHE...4634469S . doi : 10.1016/j.ijhydene.2021.07.217 . ISSN 0360-3199 – через Elsevier Science Direct.