Jump to content

Десорбция

Десорбция — это физический процесс, при котором адсорбированные атомы или молекулы высвобождаются с поверхности в окружающий вакуум или жидкость. Это происходит, когда молекула набирает достаточно энергии, чтобы преодолеть барьер активации и энергию связи , удерживающую ее на поверхности. [1]

Десорбция — это обратный процесс адсорбции , который отличается от абсорбции тем, что адсорбция относится к веществам, связанным с поверхностью, а не к поглощению в объеме.

Десорбция может происходить в результате любого из нескольких процессов или их комбинации: она может быть результатом нагрева ( тепловой энергии ); падающий свет, такой как инфракрасные, видимые или ультрафиолетовые фотоны; или падающий луч энергичных частиц, таких как электроны. Это также может произойти после химических реакций, таких как окисление или восстановление в электрохимической ячейке , или после химической реакции адсорбированных соединений, в которой поверхность может выступать в качестве катализатора.

Механизмы

[ редактировать ]

В зависимости от характера связи адсорбент-поверхность существует множество механизмов десорбции. Поверхностная связь сорбанта может быть разорвана термически, в результате химических реакций или радиации, что может привести к десорбции частиц.

Термическая десорбция

[ редактировать ]

Термическая десорбция — это процесс, при котором адсорбат нагревается, что вызывает десорбцию атомов или молекул с поверхности. Впервые термодесорбцию применил Лерой Апкер в 1948 году. [2] Это один из наиболее часто используемых режимов десорбции, который можно использовать для определения степени покрытия поверхности адсорбатов и оценки энергии активации десорбции. [3]

Термическая десорбция обычно описывается уравнением Поланьи-Вигнера:

где r – скорость десорбции, – степень покрытия адсорбата, t – время, n – порядок десорбции, предэкспоненциальный множитель, E — энергия активации, R газовая постоянная и T — абсолютная температура. Покрытие адсорбатом определяется как соотношение занятых и свободных мест адсорбции. [3]

Порядок десорбции, также известный как кинетический порядок, описывает взаимосвязь между покрытием адсорбата и скоростью десорбции. При десорбции первого порядка, n = 1 , скорость частиц прямо пропорциональна покрытию адсорбатом. [4] Атомная или простая молекулярная десорбция обычно имеет первый порядок, и в этом случае температура, при которой происходит максимальная десорбция, не зависит от начального покрытия адсорбата. В то время как при десорбции второго порядка температура максимальной скорости десорбции снижается с увеличением начального покрытия адсорбата. Это связано с тем, что второй порядок - это рекомбинативная десорбция, и при большем начальном покрытии существует более высокая вероятность того, что две частицы найдут друг друга и рекомбинируют в продукт десорбции. Примером десорбции второго порядка, n = 2 , является ситуация, когда два атома водорода на поверхности десорбируются и образуют газообразный H.
2
молекула. Существует также десорбция нулевого порядка, которая обычно происходит на толстых молекулярных слоях, в этом случае скорость десорбции не зависит от концентрации частиц. В случае нулевого порядка, n = 0 , десорбция будет продолжать увеличиваться с температурой до тех пор, пока не резко упадет, как только все молекулы будут десорбированы. [4]

В типичном эксперименте по термодесорбции часто можно предположить постоянный нагрев образца, поэтому температура будет линейно увеличиваться со временем. Скорость нагрева можно представить выражением

Таким образом, температуру можно представить следующим образом:

где это время начала и это начальная температура. [4] При «температуре десорбции» имеется достаточно тепловой энергии, чтобы молекулы покинули поверхность. Термическую десорбцию можно использовать как метод исследования энергии связи металла. [4]

Существует несколько различных процедур проведения анализа термической десорбции. Например, метод пика-максимума Редхеда. [5] является одним из способов определения энергии активации в десорбционных экспериментах. Для десорбции первого порядка энергия активации оценивается по температуре ( T p ), при которой скорость десорбции максимальна. Используя уравнение скорости десорбции (уравнение Полиани Винера), можно найти T p , а Редхед показывает, что зависимость между T p и E можно аппроксимировать линейной, учитывая, что отношение константы скорости к скорости нагревания равно в пределах 10 8 – 10 13 . Варьируя скорость нагрева, а затем построив график против , можно найти энергию активации, используя следующее уравнение:

[5]

Этот метод прост, широко применяется и может дать значение энергии активации с погрешностью 30%. Однако недостатком этого метода является то, что константа скорости в уравнении Поланьи-Вигнера и энергия активации предполагаются независимыми от степени покрытия поверхности. [5]

Благодаря увеличению вычислительной мощности теперь существует несколько способов проведения термодесорбционного анализа, не предполагая независимости константы скорости и энергии активации. [3] Например, метод «полного анализа» [6] использует семейство кривых десорбции для нескольких различных покрытий поверхности и интегрирует их для получения покрытия в зависимости от температуры. Далее по каждой кривой определяют скорость десорбции для конкретного покрытия и строят график Аррениуса логарифма скорости десорбции от 1/T. Пример графика Аррениуса можно увидеть на рисунке справа. Энергию активации можно найти по градиенту графика Аррениуса . [7]

Теоретическая обработка экспериментальных данных по десорбции н-пентана из таблеток цеолита NaX

Также стало возможным учесть влияние беспорядка на величину энергии активации E , что приводит к недебаевской кинетике десорбции на больших временах и позволяет объяснить как десорбцию с поверхностей кремния, близких к совершенству, так и десорбцию с микропористых поверхностей. адсорбенты, такие как NaX цеолиты . [8]

Пример графика Аррениуса, на котором натуральный логарифм скорости реакции (k) отображается в зависимости от температуры.

Другой метод анализа включает моделирование спектров термодесорбции и сравнение с экспериментальными данными. Этот метод основан на кинетическом моделировании Монте-Карло и требует понимания решеточных взаимодействий адсорбированных атомов. Эти взаимодействия описываются из первых принципов гамильтонианом решеточного газа, который меняется в зависимости от расположения атомов. Пример этого метода, используемого для исследования десорбции кислорода из родия, можно найти в следующей статье: «Кинетическое моделирование Монте-Карло температурно-программируемой десорбции O/Rh(111)». [9]

Восстановительная или окислительная десорбция

[ редактировать ]

В некоторых случаях адсорбированная молекула химически связывается с поверхностью/материалом, обеспечивая прочную адгезию и ограничивая десорбцию. В этом случае десорбция требует химической реакции, которая разрывает химические связи . Один из способов добиться этого — подать на поверхность напряжение, что приведет либо к восстановлению, либо к окислению адсорбированной молекулы (в зависимости от смещения и адсорбированных молекул).

В типичном примере восстановительной десорбции самоорганизующиеся монослои алкилтиолов можно удалить, приложив к поверхности отрицательное смещение , на поверхности золота что приводит к восстановлению головной группы серы. Химическая реакция этого процесса будет такой:

где R представляет собой алкильную цепь (например, CH 3 ), S представляет собой атом серы тиоловой группы, Au представляет собой поверхностный атом золота и e представляет собой электрон, подаваемый внешним источником напряжения. [10]

Еще одним применением восстановительной/окислительной десорбции является очистка активированного углеродного материала посредством электрохимической регенерации .

Электронно-стимулированная десорбция

[ редактировать ]
Продолжительность: 16 секунд.
показывает влияние падающего электронного луча на адсорбированные молекулы.

Электронно-стимулированная десорбция происходит в результате падения электронного луча на поверхность в вакууме, что обычно происходит в физике элементарных частиц и промышленных процессах, таких как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). При атмосферном давлении молекулы могут слабо связываться с поверхностями, что называется адсорбцией . Эти молекулы могут образовывать монослои с плотностью 10 15 атомов/см 2 для идеально гладкой поверхности. [11] В зависимости от связывающих способностей молекул может образоваться один монослой или несколько. Если электронный луч падает на поверхность, он дает энергию для разрыва связей поверхности с молекулами в адсорбированном монослое (монослоях), вызывая повышение давления в системе. Как только молекула десорбируется в вакуумный объем, она удаляется с помощью механизма вакуумной откачки (реадсорбция незначительна). Следовательно, для десорбции доступно меньше молекул, и для поддержания постоянной десорбции требуется все большее количество электронов.

Одна из ведущих моделей электронно-стимулированной десорбции описана Питером Антоневичем. [12] Короче говоря, его теория состоит в том, что адсорбат ионизируется падающими электронами, а затем ион испытывает потенциал заряда изображения, который притягивает его к поверхности. По мере приближения иона к поверхности возможность туннелирования электронов из подложки увеличивается, и в результате этого процесса может произойти нейтрализация иона. Нейтрализованный ион все еще имеет прежнюю кинетическую энергию, и если эта энергия плюс полученная потенциальная энергия больше, чем энергия связи, ион может десорбироваться с поверхности. Поскольку для этого процесса необходима ионизация, это предполагает, что атом не может десорбироваться при низких энергиях возбуждения, что согласуется с экспериментальными данными по десорбции, моделируемой электронами. [12] Понимание электронно-стимулированной десорбции имеет решающее значение для таких ускорителей, как Большой адронный коллайдер , где поверхности подвергаются интенсивной бомбардировке энергичными электронами. В частности, в пучковых вакуумных системах десорбция газов может сильно влиять на производительность ускорителей за счет изменения выхода вторичных электронов на поверхностях. [13]

ИК-фотодесорбция

[ редактировать ]

ИК-фотодесорбция — это тип десорбции, который происходит, когда инфракрасный свет попадает на поверхность и активирует процессы, связанные с возбуждением внутренней колебательной моды ранее поглощенных молекул с последующей десорбцией частиц в газовую фазу. [1] Можно избирательно возбуждать электроны или колебания адсорбата или связанной системы адсорбат-подложка. Эта релаксация связей вместе с достаточным обменом энергией от падающего света к системе в конечном итоге приведет к десорбции. [14]

Как правило, это явление более эффективно для менее связанных физикосорбированных частиц, которые имеют меньшую глубину потенциала адсорбции по сравнению с хемосорбированными. Фактически, более мелкий потенциал требует более низкой интенсивности лазерного излучения, чтобы освободить молекулу от поверхности и сделать возможными эксперименты по ИК-фотодесорбции, поскольку измеренное время десорбции обычно больше, чем обратное значение других скоростей релаксации в задаче. [14]

Фононно-активируемая десорбция

[ редактировать ]

В 2005 году Джон Уивер и др. открыли способ десорбции. который содержит элементы как термической, так и электронно-стимулированной десорбции. Этот режим представляет особый интерес, поскольку десорбция может происходить в закрытой системе без внешнего воздействия. [15] Режим был обнаружен при исследовании поглощения брома силиконом с помощью сканирующей туннельной микроскопии . В эксперименте пластины Si-Br нагревались до температур от 620 до 775 К. [16] Однако наблюдался не простой термодесорбционный разрыв связи, поскольку энергии активации, рассчитанные по графикам Аррениуса, оказались ниже, чем прочность связи Si-Br. Вместо этого оптические фононы кремния ослабляют поверхностную связь за счет вибраций, а также предоставляют энергию электрону для перехода в разрыхляющее состояние.

Приложение

[ редактировать ]

Десорбция — это физический процесс, который может быть очень полезен для нескольких применений. В этом разделе объясняются два применения термической десорбции. Один из них на самом деле представляет собой метод термической десорбции, десорбции с программированием температуры, а не просто применение, но у него есть множество очень важных применений. Другой вариант — применение термической десорбции с целью снижения загрязнения.

Температурно-программируемая десорбция (TPD)

[ редактировать ]

Температурно-программируемая десорбция (TPD) является одним из наиболее широко используемых методов анализа поверхности, доступных в материаловедении. Он имеет несколько применений, таких как определение скорости десорбции и энергии связи химических соединений и элементов, оценка активных центров на поверхности катализатора и понимание механизмов каталитических реакций, включая адсорбцию, поверхностную реакцию и десорбцию, анализ состава материалов, поверхностных взаимодействий и поверхность загрязняется. Таким образом, TPD становится все более важным во многих отраслях, включая, помимо прочего, контроль качества и промышленные исследования таких продуктов, как полимеры, фармацевтические препараты, глины и минералы, упаковка пищевых продуктов , а также металлы и сплавы. [17]

Когда ТПД используется с целью узнать скорости десорбции продуктов, ранее адсорбированных на поверхности, он заключается в нагреве холодной поверхности кристалла, адсорбировавшей газ или смесь газов, с контролируемой скоростью. Затем адсорбаты вступят в реакцию при нагревании, а затем десорбируются с поверхности. [18] Результатом применения ТПД является скорость десорбции каждого из десорбированных видов продукта в зависимости от температуры поверхности, это называется спектром ТПД продукта. Кроме того, поскольку известна температура, при которой десорбировалось каждое из поверхностных соединений, можно вычислить энергию, которая связывала десорбированное соединение с поверхностью, - энергию активации.

Термическая десорбция для удаления загрязнений

[ редактировать ]

Десорбция, особенно термическая десорбция, может применяться в качестве метода восстановления окружающей среды . Этот физический процесс предназначен для удаления загрязнений из твердой матрицы при относительно низких температурах (от 90 до 560 °C). Загрязненную среду нагревают для улетучивания воды и органических загрязнений с последующей обработкой в ​​системе газоочистки, в которой после удаления загрязнения собираются или термически разрушаются. Они транспортируются с помощью газа-носителя или вакуума в систему паровой очистки для удаления/преобразования в менее токсичные соединения. [19]

Системы термодесорбции работают при более низкой расчетной температуре, которая достаточно высока для достижения адекватного улетучивания органических загрязнений. Температуры и время воздействия рассчитаны на улетучивание выбранных загрязняющих веществ, но обычно они не окисляются. Он применим на объектах, где имеется большое количество прямых захоронений отходов, и необходимы короткие сроки, чтобы обеспечить дальнейшее использование или реконструкцию объекта. [19]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Перейти обратно: а б ФИЗИЧЕСКОЕ ОБЗОР 8, том 32, номер 615. Сентябрь 1985. Инфракрасно-лазерная фотодесорбция NH3 и ND3, адсорбированных монокристаллическими пленками Cu(100) и Ag. ИнгоХусла, Х.Секи, Т.Дж.Чуанг. IBMResearchLaboratory, Сан-Хосе, Калифорния.
  2. ^ Л. Апкер, Индиана, Англия. хим. 40 (1948) 846
  3. ^ Перейти обратно: а б с ТЕРМОДЕСОРБЦИОННЫЙ АНАЛИЗ: СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИСПЫТАНИЕ ДЕСЯТИ РАСПРОСТРАНЕННО ПРИМЕНЯЕМЫХ МЕТОДОВ А. М. де ЙОНГ и Дж. В. НИМАНТСВЕРДРИТ * Лаборатория неорганической химии и катализа, Технологический университет Эйндховена, 5600 MB Эйндховен, Нидерланды Поступило 8 января 1990 г.
  4. ^ Перейти обратно: а б с д ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ФИЗИКИ ПОВЕРХНОСТИ Анализ поверхности с температурно-программированной десорбцией и дифракцией низкоэнергетических электронов, Эксперимент № 89 F-Стажировка в бакалавриате и магистратуре, SS2017 Кафедра физики Е20, каб. 205 Контакты: к.т.н. Ю.-К. Чжан, доктор. Т. Лин и Др. хабил. Ф. Аллегретти
  5. ^ Перейти обратно: а б с Рыжая, Пенсильвания (1962). «Термическая десорбция газов». Вакуум. 12 (4): 203–211. Бибкод:1962Вакуу..12..203R. doi:10.1016/0042-207X(62)90978-8
  6. ^ Кинг, Дэвид А. (1975). «Термическая десорбция с металлических поверхностей: обзор». Поверхностная наука. 47 (1): 384–402. Бибкод:1975SurSc..47..384K. doi: 10.1016/0039-6028(75)90302-7.
  7. ^ Заки, Э. (2019). Поверхностно-чувствительная адсорбция воды и углекислого газа на магнетите: Fe3O4(111) в сравнении с Fe3O4(001). Кандидатская диссертация, Технический университет, Берлин.
  8. ^ Бондарев, В; Кутаров, В; Шиферштейн, Э. и Завальнюк, В. (2020). «Длительная недебаевская кинетика молекулярной десорбции из субстратов с замороженным беспорядком» . Молекулы . 25 (16): 3662 (14). дои : 10.3390/molecules25163662 . ПМЦ   7464774 . ПМИД   32796720 .
  9. ^ Кинетическое моделирование температурно-программируемой десорбции O/Rh(111) методом Монте-Карло J. Chem. Физ. 132, 194701 (2010) Т. Франца и Ф. Миттендорфер
  10. ^ Сунь К., Цзян Б. и Цзян X. (2011). Электрохимическая десорбция самоорганизующихся монослоев и ее применение в химии поверхности и клеточной биологии. Журнал электроаналитической химии , 656 (1), 223-230.
  11. ^ М. Х. Хабланян (1997). Технология больших объемов. Практическое руководство . Второе издание. Марсель Деккер, Inc.
  12. ^ Перейти обратно: а б Модель электронно- и фотонно-стимулированной десорбции, Антоневич, Питер Р., Phys. Ред. B 21.9, страницы: 3811–3815, май 1980 г., Американское физическое общество, doi = {10.1103/PhysRevB.21.3811},
  13. ^ Электронно-стимулированная десорбция конденсированных газов на криогенных поверхностях (сентябрь 2005 г.), дипл. Инж. Герберт Тратник Матрикельнр. 9226169, стр.:3
  14. ^ Перейти обратно: а б Surface Science Reports 17 (1993) 1-84 Северная Голландия. Динамика адсорбции/десорбции на твердых поверхностях Г. П. Бривио а и Т. Б. Гримли b,1 Dipartimento di Fisica dell'Universith di Milano, Via Celoria 16, 20133 Milano, Italy h Лаборатории Доннана, Ливерпульский университет, PO Box 147, Liverpool L69 3BX , Великобритания Рукопись получена в окончательном виде 25 августа 1992 г.
  15. ^ Физика сегодня 58, 5, 9 (2005); дои: 10.1063/1.1995718
  16. ^ Электронно-стимулированная десорбция из неожиданного источника: внутренние горячие электроны для Br – Si(1 0 0)-(2 · 1) Б. Р. Тренхейл, В. Н. Антонов, Г. Дж. Сюй, Кодзи С. Накаяма, Дж. Х. Уивер * Физический факультет, Кафедра кандидат наук о материалах и инженерии, а также Лаборатория исследования материалов Фредерика Зейтца, Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн, Урбана, Иллинойс 61801, США. Поступило 14 февраля 2005 г.; принят к публикации
  17. ^ Фотокаталитические исследования с использованием масс-спектрометрии температурно-программированной десорбции (TPD-MS). Примечание по применению.
  18. ^ Температурно-программируемая десорбция Такафуми Исии, Такаши Киотани, в области материаловедения и инженерии углерода, 2016 г.
  19. ^ Перейти обратно: а б «Десорбция и сжигание | Матрица отбора технологий восстановления FRTR» .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: f01fd0454d518584324d96d1e56d769c__1719405900
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/f0/9c/f01fd0454d518584324d96d1e56d769c.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Desorption - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)