Лекции по наноматериалам и нанотехнологиям
Магнитные свойства поверхности металлов и оксидов металлов
жүктеу/скачать 12,63 Mb. Pdf көрінісі
|
Nanomateriali i nanotehnologii bak
- Бұл бет үшін навигация:
- 1.5.5. Адсорбция и катализ
|
1.5.4. Магнитные свойства поверхности металлов и оксидов металлов Металлы, обладающие магнитным упорядочением, относятся к металлам, атомы которых обладают 3 d и 4 f электронными конфигурациями. Для переходных 3 d - металлов характерны узкие энергетические зоны и наличие некомпенсированных атомных моментов. Никель, кобальт и железо обладают замкнутыми электронными оболочками 1 , 2 , 2 ,3 ,3 s s p s p . Это соответствует нулевым магнитным моментам этих оболочек. Магнитные моменты дают только незаполненные 3 d - и 4 s - уровни. Все состояния до уровня Ферми заполнены, то десять электронов 3 4 d s никеля заполняют почти всю 3 d - зону и часть 4 s - зоны. d - зона очень узкая, плотность электронных состояний на границе энергии Ферми велика. Рассмотрим магнитную пленку окиси железа на поверхности металлического железа. Нанокластеры железа 12-26 нм получались аэрозольным методом, затем окислялись на воздухе. Толщина оксида железа на поверхности варьировалась за счет изменения температуры окисления 150 - 200 о С и времени выдержки на воздухе 1-1,5 ч. Оксидный слой гамма – оксида железа толщиной 1-2 нм уже обладает магнитным упорядочением. Однако эффективное магнитное поле меньше, чем в массивном 2 3 Fe O . 1.5.5. Адсорбция и катализ Адсорбция – явление поглощения газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твердого тела или жидкости. Адсорбция атомов и молекул определяет основные свойства поверхности. Если считать, что монослой поверхности состоит из 15 2 10 / ат см , то монослой адсорбированных молекул создается практически мгновенно. В процессе физической адсорбции молекулы связываются с поверхностью силами Ван дер-Ваальса (теплота адсорбции 0,1 1 / КДж моль ). Если адсорбция сопровождается химической реакцией поглощаемого вещества с поглотителем (адсорбентом), тогда она называется хемосорбцией . При химической 82 адсорбции - связь осуществляется силами химического взаимодействия (теплота хемосорбции 1 10 / КДж моль ). Катализом называется явление увеличения скорости химической реакции, посредством добавления вещества, называемого катализатором, которое не расходуется в реакции. Гомогенные катализаторы находятся в той же газовой или жидкой фазе, что и реагенты. Гетерогенные катализаторы находятся в фазе отличной от реагентов и отделены от них фазовой границей. Гетерогенный катализ происходит с участием поверхности твердого тела. Поверхность снижает потенциальный барьер реакции. Реагенты должны хорошо сорбироваться, а продукты реакции удалятся с поверхности. Твердые катализаторы это оксиды кремния 2 SiO или алюминия 2 3 Al O оксид титана 2 TiO обладающие пористой или губчатой поверхностью. Поверхность катализатора покрыта каталитически активным материалом, типа платина или насыщена кислотными центрами. Активным компонентом гетерогенного катализатора может быть ион переходного элемента. Некоторые оксиды металлов могут быть катализаторами сами или в нанесенном на подложку виде 2 3 2 3 3 4 ( , , , ) NiO Cr O Fe O Co O . Подготовка катализаторов к использованию включает их прокаливание при температуре несколько сотен градусов Цельсия. Для некоторых реакций каталитическая активность возникает из-за присутствия кислотных центров на поверхности. Кислотный поверхностный центр Льюиса – акцепторный. Он принимает электронную пару с участием адсорбента, что приводит к уменьшению энергии системы. Кислотный поверхностный центр Бернстеда - донор протонов. Кислотность центра Бернстеда на поверхности сдвигает вправо реакцию H B BH , где B - молекула основания, BH - кислота сопряженная молекуле основания, H - протон для центра Бернстеда (см. рис. 1.68). Рис. 1.68. Сульфатная группа на поверхности циркониево-сульфатного катализатора, создающая кислотный центр Льюиса Zr (слева) и кислотный центр Бренстеда H (справа). [1] 83 Поверхность снижает потенциальный барьер реакции. Реагенты должны хорошо сорбироваться, а продукты реакции удалятся с поверхности. Катализаторы в нанонауке используются при получении квантовых точек, нанотрубок и других наноструктур. Некоторые наноструктуры сами являются катализаторами для некоторых химических реакций. Большинство коммерческих катализаторов имеет пористую структуру с площадью поверхности несколько сотен м 2 /грамм. Катализ на кластерах переходных металлов идет легче, чем на изолированных атомах. Это связано с тем, что 1.Окислительно-восстановительным процессам способствует многоточечная адсорбция. 2.В окислительно-восстановительные реакции вовлекается несколько электронов, участие нескольких атомов металла ускоряет катализ. 3. В кластерах происходит начало объединения электронных атомных уровней в будущие зоны твердого тела. Расстояние между уровнями уменьшаются, вероятность электронных переходов, стимулирующих катализ, возрастает. жүктеу/скачать 12,63 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|