Содержание разделов и тем курса.

4.3. Содержание разделов и тем курса.

1. Введение. Общие понятия «науки о поверхности»:

Введено понятие «поверхности» как границы раздела двух фаз. Дано краткое описание основных исторических этапов развития науки о поверхности как самостоятельной области знаний. Рассмотрены различные варианты классификации твердых тел с точки зрения их поверхности. Введена базовая классификация пористых тел – адсорбентов. Осуществлено первое знакомство с миром нанообъектов.

2. Методы приготовления: чистых поверхностей монокристаллов; нанокластеров; адсорбентов.

Описана общая методика очистки поверхности монокристаллов и ее подготовки для изучения процессов, протекающих на поверхности, таких как: реконструкция поверхностных структур, адсорбция, гетерогенная реакция и т.д. Приведена классификация и описание практически значимых или перспективных способов приготовления наноразмерных объектов (нанокластеров) различной природы. Рассмотрены принципиальные способы приготовления пористых углеродных материалов на примере «Сибунита» и КВУ (каталитический волокнистый углерод), а также оксидных адсорбентов методом осаждения на примере силикагеля. При этом особое внимание уделяется процессам, влияющим на формирование текстуры пористого тела, поскольку именно текстура, наравне с химической природой материала, определяет особенности адсорбционного поведения адсорбента.

3. Методы исследования поверхности твердых тел.

Рассмотрены физические принципы, характер получаемой информации и особенности ее интерпретации для наиболее практически значимых и распространенных методов исследования поверхности твердых тел, таких как: рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), Оже-электронная спектроскопия (ОжеЭС), Масс-спектрометрия вторичных ионов (МСВИ), сканирующая туннельная спектроскопия (СТС), дифракция медленных электронов (ДМЭ), инфракрасная спектроскопия (ИКС), сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ), электронная микроскопия (ЭМ), порометрия и т.д. Возможности применения вышеперечисленных методов продемонстрированы на примере новейших работ, выполненных как в ведущих международных исследовательских центрах, так и в Институтах СО РАН.

4. Методы исследования адсорбционных процессов.

Приведена общая схема проведения адсорбционных экспериментов на монокристаллах с использованием самых современных методов исследования. Рассмотрены основные принципы, лежащие в основе методов изучения адсорбции на пористых адсорбентах: волюмометрический, гравиметрический, проточный. Проведено сравнение представленных методов. Перечислены основные способы определения теплоты адсорбции на пористых телах.

5. Кристаллография поверхности твердых тел.

Введены основные понятия кристаллографии поверхности, как-то: плоская примитивная ячейка, плоская примитивная ячейка Вигнера - Зейтца, двумерные решетки Браве, модель жестких плотноупакованных шаров и т.д. Рассмотрены особенности кристаллического строения поверхностей металлов в случае идеальных плотноупакованных граней, высокоиндексных, ступенчатых граней, а также реальных металлов. Введено понятие реконструкции поверхности, рассмотрены основные причины перестроения поверхностных атомов, а также наиболее значимые примеры реконструкций. Систематизированы принципиальные особенности кристаллического строения поверхности ковалентных и ионных кристаллов.

Введены основные понятия, используемые для описания наноразмерных кластеров, рассмотрены особенности электронного и кристаллического строения подобных объектов. Проведено сравнение практически значимых свойств массивных фаз и нанокластеров того же материала.

6. Основы термодинамики поверхности и дисперсных систем.

Глава посвящена основам термодинамики поверхности и наноразмерных объектов. Введены основные понятия и рассмотрены принципиальные подходы к термодинамическому описанию подобных систем: метод слоя конечной толщины и метод поверхностных избытков Гиббса. Введены понятия поверхностного натяжения, работы когезии и адгезии, особое внимание уделено их физическому смыслу. Приведено обобщенное правило фаз Гиббса.

Для дисперсных систем выведены основные уравнения, представляющие практический интерес: уравнение Вульфа, уравнение Лапласа, уравнение зависимости химического потенциала от кривизны поверхности, уравнение Кельвина и т.д.

7. Поверхностная диффузия.

Введены основные диффузионные понятия: массоперенос, внутренняя диффузия, самодиффузия и гетеродиффузия, взаимная диффузия, вынужденная диффузия, восходящая диффузия, диффузия с «барьерами», поверхностная туннельная диффузия, направленная и бесцельная диффузия, химическая поверхностная диффузия и т.д. Рассмотрены основные диффузионные механизмы и уравнения диффузии, диффузия невзаимодействующих атомов за счет градиента концентраций и поверхностная диффузия атомных нанокластеров и островков, а также механизмы изменения дисперсности нанесенных систем.

8. Элементы теории роста кристаллов.

Рассмотрены процессы формирования зародышей новой фазы. Изложены основные положения классической теории роста кристаллов Косселя - Странского: рассмотрены механизмы образования зародышей на поверхности и послойного роста кристалла. С термодинамической точки зрения рассмотрены особенности формирования полислойных пленок и островков в гетерогенных системах.

9. Адсорбция.

Рассмотрены основные типы взаимодействий в ходе адсорбции в системе адсорбтив – адсорбат – адсорбент. Проведено комплексное сравнение физадсорбции и хемосорбции. Введено понятие «термическое уравнение сорбции», приведены основные типы изотерм, изобар и изостер. Рассмотрены основные уравнения изотерм адсорбции: изотерма Генри; изотерма Ленгмюра; изотерма Фаулера - Гугенгейма; изотерма Френкеля - Хелси - Хилла (ФХХ); уравнение Брунауэра - Эмметта - Теллера (метод БЭТ). Проведено сравнение различных типов изотерм, а также приведены примеры их практического использования. Изложены основы капиллярной конденсации. Проведено сравнение обратимой капиллярной конденсации и необратимой капиллярной конденсации.

10. Кинетика реакций на поверхности твердых тел.

Введены основные понятия и термины. Рассмотрены реакции типа «твердое тело – газ» и топохимические реакции, а также кинетика адсорбции и десорбции.

Обсуждается природа лимитирующей стадии гетерогенной химической реакции. Основное внимание уделено особенностям применения закона «действующих поверхностей» в кинетике гетерогенных реакций. Детально рассмотрено кинетическое описание механизмов Ленгмюра - Хиншельвуда (адсорбционный механизм) и Или - Ридила (ударный механизм), используемых для описания гетерогенных каталитических реакций. Проведено знакомство с методом Тёмкина, используемым для описания кинетики сложных реакций.

Для топохимических реакций представлены основные модели и приближения, традиционно используемые для описания формальной кинетики данных процессов. Рассмотрены понятия «степень превращения» исходного вещества и «зародышеобразование». Выведены кинетические уравнения для топохимических реакций на основе экспоненциального и степенного законов зародышеобразования. В качестве частного случая рассмотрено кинетическое описание топохимической реакции, протекающей на нанокластерах вещества.

11. Закономерности процесса окисления металлов.

Детально рассмотрены особенности окисления металлов в режиме травления и оксидирования (нитридизации, сульфидирования и т.д.). Особое внимание уделено кинетическому описанию процессов, а также критическим условиям перехода окисления из режима травления в режим оксидирования. Изложен диффузионные процессы при оксидировании металлов и приведена зависимость константы параболического окисления от давления окислителя.

12. Закономерности процессов испарения твердых тел.

Проведено сравнение различных режимов испарения твердых тел: в условиях равновесия; испарение в вакуум; в условиях квазиравновесия в ячейке Кнудсена. Введено уравнения Герца - Кнудсена - Ленгмюра, а также понятия «нормального» и «замедленного» испарения. Рассмотрены основные подходы к описанию кинетики испарения, а также особенности изменения морфологии твердых тел в ходе испарения.

13. Закономерности процессов растворения твердых тел.

Рассмотрены особенности растворения твердых тел в зависимости от их природы: молекулярные кристаллы, ионные кристаллы, металлы и полупроводники. Для полупроводников введено понятие области пространственного заряда. Особенности поверхности полупроводниковых материалов рассмотрены с точки зрения зонной теории.

14. Основы гетерогенного катализа.

Даны общие представления о явлении «катализ» и природе каталитической активности, а также об особенностях гетерогенного катализа. Рассмотрены основные классы гетерогенных катализаторов: массивные и нанесенные системы. Введены основные понятия, как-то: активный компонент катализатора, поверхностный активный центр, удельная каталитическая активность, структурно чувствительные и нечувствительные реакции, принцип геометрического соответствия реагента и катализатора и т.д. Проведено знакомство с правилом постоянства удельной каталитической активности Г.К. Борескова и случаями, не подчиняющимися этому правилу. Приведены современные подходы к рассмотрению природы каталитического действия, как-то: коллективный и локальный. Возможности данных подходов продемонстрированы на примере работ ведущих исследовательских групп мира и России, работающих в области гетерогенного катализа.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 Следующая ⇒