СодержаниеВведение...............................3-6
Глава 1. Адсорбция простых молекул на поверхность твердых тел, металлов, железа...............................................................................................7
1.1 Основные представления об адсорбции молекул на поверхность твердого тела...........................7-25
1.2 Адсорбция водорода на поверхности металлов...........25-35
1.3 Особенности адсорбции водорода на поверхности железа и его практическая значимость.......................35-44
Глава 2. Исследование адсорбции водорода на поверхность железа методом функционала плотности ...................45
2.1 Основные положения теории функционала плотности и возможности их использования в компьютерном моделировании структуры и свойств молекулярно-кристаллических систем................45-54
2.2 Абсорбционные состояния и структуры водорода на поверхность
(100) железа..........................................................................54-62
Заключение........................................63-64
Список использованных источников.................65-67
Приложение...........................68-77ВведениеВ данной работе рассматриваются адсорбция водорода на поверхность железа, а также условия и вероятность протекания, физико-химические процессы и энергетические переходы, сопровождающие адсорбционные взаимодействия. Предпринята попытка с позиций теории функционала плотности ответить на ряд вопросов, касающихся энергетики адсорбции водорода на поверхность (100) железа и геометрической конфигурации молекулярно-кристаллических структур, формирующихся на различных стадиях адсорбционного взаимодействия.
В первой главе приводятся теоретические особенности адсорбции водорода на поверхностях твердых тел, в том числе железе. Рассматривается механизм физической и химической адсорбции водорода и физическая суть процессов. В заключение первой главы рассматривается практическая важность изучения вопроса в гетерокатализе, разработке средств защиты от коррозии, и других практически важных приложениях науки и техники.
Вторая глава носит экспериментальный характер. Проводятся компьютерное моделирование, целью которого является расчет параметров атомно-молекулярной системы железо-водород, исходя из законов квантовой механики в рамках теории функционала плотности. В главе проанализированы полученные данные, в соответствии с которыми:
1. определена полная энергия рассматриваемой системы;
2. оптимизирована пространственная атомно-молекулярная структура системы железо-водород на различных стадиях адсорбции и построены трехмерные модели адсорбционных структур;
3. определена зависимость энергии адсорбции от расстояния молекулы водорода до поверхности железа;
4. установлено зависимость межатомного расстояния в молекуле водорода (длины связи) от расстояния до поверхности железа.
В заключение работы посредством анализа полученных структурных моделей делается вывод о закономерностях адсорбции молекулы водорода на поверхность (100) железа, специфике и энергетике взаимодействия водорода с железом при физической и химической адсорбции характерна для изучаемых процессов.
Целью данной работы является изучение особенностей адсорбционного взаимодействия водорода с поверхностью (100) железа, пространственных структур и энергетических характеристик.
Задачи. Данная дипломная работа преследует несколько задач:
1. рассмотрение закономерностей процесса адсорбции молекул на поверхность твердых тел;
2. рассмотрение различных видов сорбционных взаимодействий (физической и химической адсорбции) и их сравнительная характеристика;
3. рассмотрение практической значимости процесса адсорбции водорода на железе;
4. определение полной энергии квантово-механической системы, образованной атомами железа и водорода;
5. определение пространственной структуры и геометрической конфигурации системы в различных адсорбционных состояниях.
Объектом исследования выступает процесс последовательной адсорбции молекулы водорода на поверхности железа.
Предметом исследования являются формы, методы и средства расчета параметров и характеристик системы "железо-водород" в процессе адсорбционного взаимодействия.
Научная гипотеза состоит в предположении, что при адсорбционном взаимодействии водорода с поверхностью железа наиболее вероятен процесс химической адсорбции, сопровождающейся диссоциацией молекулы водорода с выделением энергии и формированием связи железо-водород.
Актуальность работы. Адсорбционные явления играют важную роль в науке и технике: без их учета и использования сильно затрудняется, а в ряде случаев, и вовсе становится невозможным создание и эффективная эксплуатация многих технических приборов и устройств, в частности электровакуумных систем и приборов микроэлектроники и в этой связи работа является актуальной. Адсорбция водорода на поверхность твердых тел, в частности, на металлы, способна изменять их физические и химические свойства, посредством образования дефектов структуры, что, в конечном итоге, приводит к деформации и даже разрушению детали или конструкции.
Изучение адсорбции водорода на поверхность железа играет особую роль, так как железо является одним из металлов, который в наибольшей степени используется в машиностроении и химической технологии. Исследованию его свойств, а также сплавов на его основе в различных условиях эксплуатации посвящено громадное количество работ. В случае гетерогенного катализа, понимание взаимодействия между поверхностью переходного металла и, в частности, железа с простыми молекулами важно для эффективного управления технологическими процессами синтеза углеводородов и спиртов из смеси водорода и оксида углерода (катализаторы Фишера-Тропша), синтеза аммиака из водорода и азота и т.д. Однако, несмотря на большое количество экспериментальных данных относительно каталитических свойств железа, детальное знание механизмов взаимодействия на поверхности переходного металла изучено недостаточно. До сих пор нет ясности в, казалось бы, простом вопросе о том, как происходит взаимодействие чистого железа с простыми молекулами, например с водородом, азотом, оксидом углерода, водой и др.
Исследования адсорбции актуальны для материаловедениия, например для создания наноматериалов, в частности, нанотрубок, металлоорганических сеток, которые за счет реализации адсорбционного взаимодействия в будущем могут использоваться для накопления, хранения и перевозки термоядерного топлива, основным компонентом которого является водород. Таким образом, данные исследования находят применение в области создания перспективных наноматериалов.
Практически вся вселенная более чем на девяносто процентов состоит из водорода, самого простого и элементарного атома. Водород является весьма простым и, в то же время, активным элементом, способным вступать во взаимодействия с различными веществами уже при относительно низких температурах и энергиях. По этой причине исследование процессов взаимодействия водорода с твердыми веществами, несмотря на большое число публикаций проводятся ив настоящее время, а результаты этих исследований находят широкое применение в науке и технике.
Методы исследований. Основной метод исследования, используемый в данной работе, - метод функционала плотности, который базируется на современных программных продуктах, использующих эффективные математических алгоритмы оптимизации параметров многочастичных систем, заложенные в программном коде Abinit и специальных прикладных программ, Viewer-pro и Origin. С помощью указанных программ осуществляется компьютерное моделирование процесса адсорбции молекулы водорода на поверхность железа, расчет параметров системы водород-железо.Литература1. Кон В. Электронная структура вещества - волновые функции и функционалы плотности. Нобелевские лекции по химии - 1998. Успехи физических наук. Т. 172, № 3, 2002. 336-348.
2. Payne M.C., Teter M.P., Allan D.C.et at. Iterative minimization techniques for ab-initio total-energy calculations: molecular dynamics and conjugate gradients. Rev. Mod. Phys. Vol 64, No 4, 1992. P. 1045-1097.
3. Fulde F. Electron Correlation in Molecule and Solids. Springer-Verlag, Berlin. 1998.
4. Ceperley, Alder, Phys. Rev. Lett. 1980
5. Физическая энциклопедия.- М., Большая Российская энциклопедия. Т 3.1992. 672 с.
6. Смитлз К.Дж. Металлы. Справочник. - М., Металлургия. 1980. 442 с.
7. Perdew J.P., Wang Y. Phys. Rev. B45, 13, 244 (1992)
8. Troullier N., J. L. Martins. Efficient pseudopotentials for plane-wave calculations, Phys. Rev. B 43, 1993 (1991).
9. Fuchs M., Scheffler M. Ab initio pseudopotentials for electronic structure calculations of poly-atomic systems using density-functional theory. Comput. Phys. Commun. 119, 67 (1999).
10. Broyden C.G. A class of methods for solving nonlinear simultaneous equations / Math. Comp. 1965, 19, 577-593.
11. Srivastava G.P. Broyden's methods for self-consistent field convergence acceleration/ J. Phys. A; 1984, 17, L317-L321
12. Gonze X, Beuken J-M., Caracas R., Detraux F., et al. First Principal computation of material properties: ABINIT software project. Comput. Mater. Sci. 2002, 25, 478-495.
13. S. Goedecker, M. Teter, J. Huetter, Phys.Rev.B54, 1703 (1996)
14. Физическая энциклопедия.- М., Большая Российская энциклопедия. Т 2.1990. 703 с.
15. Хауфе К. Реакции в твердых телах и на их поверхностях. Пер. с нем.
А.Б. Шехтера. М., Ил, Ч.1, 1962.
16. Мясников И.А. Электронные явления в процессе хемосорбции свободных атомов и радикалов на полупроводниковых адсорбентах. М., "Мир", 1969, с. 110.
17. Дистлер Г.Н. Электронная микроскопия поверхностных явлений. М., "Наука", 1967, с. 84.
18. Волькенштейн М.В. Строение и физические свойства молекул. М., Изд-во АН СССР, 1955.
19. Кузнецов В.И. Развитие учения о катализе. М., "Наука", 1964.
20. Дистлер Г.И., Кобзарева С.А. Дальнодействие поверхностных сил твердых тел. М., "Наука", 1967, с. 43.
21. Черепнин Н.В. Основы очистки, обезгаживания и отачки в вакуумной технике. М., "Сов. радио", 1967.
22. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. М., "Мир", 1964.
23. Де Бур Я. Динамический характер аюсорбции. М., ИЛ, 1962.
24. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М., "Наука", 1964.
25. Герасимов Я.И. и др. Курс физической химии. т. 2, М., "Химия", 1966.
26. Дерягин Б.В. Что такое трение? М., Изд-во АН СССР, 1963.
27. Щукин Е.Д., Сумм Б.Д. Поверхностная диффузия и растекание. М., "Наука", 1969, с. 161.
28. Чертовских А.К., Белосевич В.К. Трение и технологические смазки при обработке металлов давлением. М., "Металлургия", 1968.
29. Агеев В.Н., Ионов Н.И. К вопросу десорбции кислорода с вольфрама. "ЖТФ", 1969, т.2, с. 320.
30. Лихтман В.И., Ребиндер П.А. Влияние поверхностно-активной среды на процессы деформации металлов. М., 1954.
31. Устинов Ю.К. Исследование хемосорбции окиси углерода на поликристаллических вольфрамовых нитях методом вспышки. "ЖТФ", 1965, т.35.
32. Арифов У. А. Взаимодействие атомных частиц с поверхностью металла. М., "Наука", 1961.
33. Волькенштейн Ф.Ф. Электронные явления в адсорбции и катализе на полупроводниках. М., "Мир", 1969.
34. Гельд П.В., Рябов Р.А. Водород в металлах и сплавах. М., "Металлургия", 1974.
35. Маккей К. Водородные соединения металлов. М., "Металлургия", 1971.
36. Трепнел Б. Хемосорбция. М., "Иностранная литература", 1958.
37. Чернавский П.А., Луниен В.В. Кинетика и катализ. М., 1985.'
|
|
