![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Лавренко, В. А. Рекомбинация атомов водорода на поверхностях твердых тел
.pdfкислоты, 34 |
мл уксусного |
ангидрида, 27,5 мл |
азотной кислоты |
(уд. в. 1,35), |
1 мл соляной |
кислоты (уд. в. 1,19) |
при 85—95° С. |
Полученные для различных граней монокристаллического ни келя катодные поляризационные кривые (рис. 27) описываются уравнением Тафеля и показывают, что характер процесса выделения водорода зависит от кристаллографической ориентации поверх
ности. Д л я граней |
(111) и (100) кривые т|н, — lg і |
имеют |
перегиб, |
|||||||||||
который обычно связывают с перезарядкой поверхности |
электрода |
|||||||||||||
[319]. Д л я грани |
(ПО) |
наблюдается прямолинейная |
зависимость |
|||||||||||
без перегиба, |
свидетельствующая |
об отрицательном |
заряде |
поверх |
||||||||||
ности в исследованном интервале |
потенциалов. Это дает |
основание |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
полагать, |
что |
на |
плоскостях |
|||||
|
|
|
|
|
|
(111) и (100) наблюдается |
иден |
|||||||
|
|
|
|
|
|
тичный механизм |
водородного |
|||||||
|
|
|
|
|
|
перенапряжения, |
отличный от |
|||||||
|
|
|
|
|
|
механизма |
процесса |
|
на |
плос |
||||
|
|
|
|
|
|
кости |
(ПО). |
|
|
|
|
|
||
а |
|
6 |
|
в |
|
Из |
исследованных |
граней |
||||||
|
|
|
монокристалла |
никеля |
грань |
|||||||||
Рис 27. |
Катодные поляризационные крн |
|||||||||||||
(ПО) |
характеризуется |
наи |
||||||||||||
вые для гранен |
монокристалла никеля: |
|
||||||||||||
|
меньшей |
работой |
|
выхода |
||||||||||
а — (111); 6 — (100); в — (110). |
|
|
|
|||||||||||
|
|
электрона |
4,64 |
эв |
|
І320І, в |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
связи |
с чем проявляет |
наиболее |
|
прочную |
связь |
при |
адсорбции |
|||||||
атомов |
газа |
1321, |
322]. Д л я установившегося процесса |
катодно |
го выделения водорода в случае грани (ПО) можно, по-видимому, допустить некоторое затягивание электрона в сферу адсорбирован ного атома водорода, вследствие чего создаются условия для пред почтительного отрицательного заряжения поверхности. Этому мо жет способствовать и геометрическое расположение атомо» никеля в плоскости (ПО) с чередованием выступающих рядов и промежут ков. Упрочнению адсорбционной связи для плоскости (110) спо собствуют также дефекты структуры. Мы уже отмечали в § 14, что эта грань является наименее плотноупакованной по сравнению с гранями (111) и (100), поэтому можно ожидать для нее наибольше го числа выхода дислокаций.
Д л я установления лимитирующей стадии водородного пере напряжения на исследуемых гранях по экспериментальным поля ризационным кривым рассчитывали значения стехиометрического числа v согласно Гориучи [323, 324]
Здесь J 0 — ток обмена; F — число Фарадея.
Вычисленные значения v составляют 1,54, 0,93 и 1,00 для гра ней (ПО), (100) и (111) соответственно. Исходя из полученных зна чений v можно сделать вывод, что для граней (100) и (111) замедлен ный разряд не является стадией, лимитирующей скорость процесса выделения водорода. Лимитирующей стадией при v = 1 может
быть либо процесс рекомбинации мигрирующих по поверхности адсорбированных атомов
|
|
|
|
Н а Д с + |
Н а Д с = Н „ |
|
(15.1) |
|||
либо |
процесс электрохимической |
десорбции |
|
|
|
|||||
|
|
Наде + |
Н 3 0 + + |
|
е = |
Н 2 + |
Н 2 0 . |
(15.2) |
||
Экспериментальные |
значения |
|
перенапряжения |
водорода |
при |
|||||
і = |
1 а/см2 |
т]нг 0 0 ) = 0,89 |
в, гін,1 1 ' |
= |
0,78 в. |
Соответствующие |
ра |
|||
боты |
выхода |
электрона |
4,89 и 5,22 |
эв |
[320], |
и прочность связи |
при |
адсорбции уменьшается при переходе от грани (100) к грани (111). Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что с увеличением энергии адсорбционной связи перенапряжение водо
рода |
возрастает, т. е. |
скорость реакции уменьшается. |
|
Д л я установления |
механизма катодного процесса на |
гранях |
|
(100) |
и (111) необходимо рассмотреть зависимость скорости |
реакции |
от энергии адсорбционной связи. Впервые на изменение механизма
перенапряжения |
водорода |
с |
изменением энергии |
связи |
Me—Н |
было указано в |
[312, 54]. |
Как |
показано в § 3 главы |
I I , а |
также в |
1325], увеличение прочности адсорбционной связи при взаимодейст
вии |
налетающей частицы |
с |
адсорбированной |
на |
поверхности |
|||||||
всегда приводит к увеличению скорости реакции. Этому |
механизму |
|||||||||||
должны |
следовать как электрохимическая десорбция |
при |
катодном |
|||||||||
выделении водорода, так и гетерогенная рекомбинация |
газообраз |
|||||||||||
ных |
атомов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
случае, |
когда |
катодное |
выделение |
водорода |
лимитируется |
||||||
.стадией |
каталитической |
рекомбинации, |
причиной |
замедленности |
||||||||
реакции является наличие зависящего от свойств |
кристалла |
ак- |
||||||||||
тивационного |
барьера |
(§ 2 |
главы I I , [326]), который необходимо |
|||||||||
преодолеть движущимся |
по поверхности атомам, |
прежде чем |
они |
|||||||||
образуют устойчивое состояние, отвечающее минимуму |
энергии. |
|||||||||||
При таком механизме процесса |
более прочная адсорбционная связь |
приводит к уменьшению скорости рекомбинации за счет уменьшения подвижности адсорбированных атомов. Следовательно, можно счи тать, что перенапряжение водорода на гранях (100) и (111) никеля определяется механизмом каталитической рекомбинации мигрирую щих атомов.
При рекомбинации газообразных атомов водорода на этих же поверхностях граней никеля получены значения вероятности реак
ции (коэффициенты рекомбинации у) уооо) = |
0,083 ± 0,011 и Yon) = |
||
= |
0,052 + |
0,010. В данном случае скорость |
реакции увеличивает |
ся |
с ростом |
энергии связи при адсорбции атомов водорода. Т а к а я |
ситуация и должна отвечать протеканию реакции по механизму
Райдила |
тт |
, |
тт |
_ н |
п ос, |
|
П а д е ~ Г |
і і н а л г т а ю щ и й — П 2 . |
|
Учитывая полученное значение v — 1,54 и геометрические осо бенности расположения атомов грани (110), можно предположить, что на одних участках поверхности по-прежнему механизм пере напряжения лимитируется стадией (15.1), тогда как на других
10* |
147 |
участках — процессом со |
стехиометрическим числом v = |
2, т. |
е. |
замедленным разрядом. |
|
|
|
Д л я плоскости (ПО) |
было получено значение упо = |
0,112 |
± |
± 0,017. Поскольку рекомбинация газообразных атомов на всех
исследованных |
гранях монокристалла никеля характеризуется |
|
одним и тем же |
механизмом (15.3), большую величину уіі0 |
легко |
объяснить увеличением адсорбционной активности этой плоскости
(Y(iio) > |
Y(ioo) > Y(iii))- В то же время нельзя проводить сравнение ве |
||||||
личины |
водородного перенапряжения |
тцш) |
= 0,74 |
в с г | ( 1 0 0 ) |
и П(Ш) |
||
|
|
из-за различия в механизме про |
|||||
|
|
цесса. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Катодные процессы в значи |
||||
|
|
тельной |
степени |
|
усложняются |
||
|
|
при |
переходе к |
поликристалли |
|||
|
|
ческому металлу. На рис. 28 при |
|||||
|
|
ведены поляризационные |
кривые |
||||
|
|
для деформированного и |
полнос |
||||
|
4 іді,а/см* |
тью рекристаллизированного ни- |
|||||
|
келя *. Перенапряжение водоро- |
||||||
|
б |
||||||
|
да |
на деформированном |
металле |
||||
Рис. 28. |
Катодные поляризационные |
оказалось |
меньше, |
чем на отож |
|||
кривые для поликристаллического ни |
женном: при 1 а/см2 |
0,75 |
и 0,88 в |
||||
келя: |
|
||||||
|
соответственно. При |
каталитичес |
|||||
о — деформированного; б — рекрнсталлн- |
|||||||
зованного. |
|
кой рекомбинации атомов водоро |
|||||
|
|
да из газовой фазы также |
наблю |
дается увеличение скорости реакции для деформированного металла: Удеф = 0,119 и у о т о ж = 0,051. Поскольку энергия связи адсорбиро ванных атомов для деформированного металла значительно больше, чем для отожженного (прежде всего за счет большей плотности дислокаций), и процесс в газовой фазе протекает по механизму (15.3), то и для катодного выделения водорода на поликристалли ческом никеле, по-видимому, можно считать в качестве предпочти тельного механизм в соответствии с (15.2).
Значительная неоднородность отдельных участков поверхности
отожженного металла |
(границы зерен |
с максимальным количест |
||
вом дефектов структуры и зерна) |
приводит, как и в случае |
грани |
||
(ПО), к появлению |
смешанного |
механизма электролитического |
||
процесса. Можно далее предположить, |
что на границах зерен |
меха |
низм процесса выделения водорода сходен с таковым для деформи
рованного металла, тогда как на |
зернах наиболее вероятным я в л я |
|
ется сочетание |
механизма (15.2) |
с каталитической рекомбинацией |
и замедленным |
разрядом. |
|
На возможность протекания электрохимической реакции по различному механизму на разных участках поверхности электрода
* Следует отметить, что воспроизводимость результатов измерений на поли кристаллическом металле ниже по сравнению с хорошей воспроизводимостью данных на монокристаллическом никеле. Это также наблюдалось при исследова нии каталитической рекомбинации газообразных атомов.
впервые указал А. Н. Фрумкин [56]. При выделении водорода на никеле это находит подтверждение как для поликристаллического металла, так и для грани (ПО) монокристалла.
Проведенное исследование показало, что структура никелевого электрода не только влияет на величину скорости реакции, но и определяет механизм процесса.
§ 16. РОЛЬ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ И КОЛЛОИДОВ
ВМОНОКРИСТАЛЛАХ ЩЕЛОЧНОГАЛОИДНЫХ СОЛЕЙ. РЕКОМБИНАЦИЯ НА ПЛЕНКАХ
Вработах Гарнера, Грея и сотрудников [327, 328, 329] при рас
смотрении каталитических процессов |
особое внимание |
обращено |
|
на природу дефектов в катализаторах. По мнению |
Риза |
[269], во |
|
многих случаях скорость протекания |
поверхностной |
реакции кон |
тролируется скоростью миграции дефектов в решетке катализатора. Основные проблемы химии твердых тел, содержащих дефекты, состоят в отсутствии надежных методов определения концентрации дефектов (контроля за весьма малыми изменениями состава твердого тела). Затруднительным является также получение в решетке за данного количества дефектов структуры определенного типа. В щелочногалоидных кристаллах можно получать различные концентра ции разнообразных точечных дефектов и контролировать их коли чество благодаря появлению специфических оптических свойств [330, 331]. Это /-"-центры—-вакантные анионные узлы с захвачен
ными электронами; |
[/-центры, представляющие собой F-центры, |
|
замещенные атомами водорода |
(отрицательный заряд сохраняется); |
|
V -центры — положительные |
дырки, захваченные вакантными ка- |
|
тионными узлами; |
/-"-центры |
— электроны, захваченные F-цент- |
рами; парные /-"-центры, ассоциированные дефекты (коллоиды) и т. д. Наличие определенных типов точечных дефектов приводит к
значительным |
особенностям |
несовершенного кристалла |
в отличие |
от идеального, |
где каждый |
атом или ион находится в |
положении, |
которое характеризуется минимумом потенциальной энергии [332]. Кристаллы щелочногалоидных солей не только наиболее выгодные объекты для дифференцированного изучения влияния точечных дефектов на их реакционную способность, но и позволяют выяснить вклад разориентировки поверхности при напылении на скол кри сталла тончайших слоев (пленки) металла. В этом направлении бы ла выполнена теоретическая работа Ван дер Мерве [333], где рас смотрено несоответствие кристаллических решеток и силы связи на поверхности раздела между ориентированными пленками и под
ложками. Необходимо отметить, что изучению структуры |
и физи |
ко-химических свойств тонких пленок придается особое |
значение |
в связи с их неравновесностью [334] и как метод изучения самого твердого тела [335].
При исследовании каталитической активности монокристаллов щелочногалоидных солей чрезвычайно интересным является
выяснение влияния точечных дефектов (F-, V-, tZ-центры), коллои
дальных |
дефектов (дефекты, полученные при коагуляции |
/-"-центров), |
||||||||||||||||||||||
а также нарушения кристаллической решетки |
в результате |
|
много |
|||||||||||||||||||||
кратного |
введения |
и |
выведения |
центров |
окраски. |
Исследования |
||||||||||||||||||
проводили на монокристаллах NaCl, КС1, KJ, |
выращенных по мето |
|||||||||||||||||||||||
ду |
Киропулоса |
в |
кварцевом |
тигле с соблюдением |
всех |
мер |
пред |
|||||||||||||||||
к,см-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
осторожности в отношении их чи |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стоты. |
Исходным |
|
материалом |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
служила |
соль марки |
«оч». |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В качестве примера более под |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
робно |
остановимся |
на |
особенно |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стях |
кристаллов, |
|
содержащих |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/••-центры. Кристаллы окрашива |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лись |
электролитически |
|
введе |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нием в нагретый образец окрас |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ки с плоского калиевого элект |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рода. После окрашивания крис |
||||||||||||
01 |
1 |
1 |
ї |
і |
і |
і |
|
і |
і" |
таллы |
быстро |
охлаждались |
в |
|||||||||||
WO 500 600 |
700 800 |
900 |
1000 |
Л, WW |
темноте до комнатной температу |
|||||||||||||||||||
Рис. 29. |
Поглощение |
кристалла |
|
КС1, |
ры и |
содержали |
только |
ґ-цент- |
||||||||||||||||
•окрашенного F-центрами. Температура |
||||||||||||||||||||||||
ры, что контролировали по их |
||||||||||||||||||||||||
••окрашивания 720° С: |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
/ — исходная f-полоса, |
измеренная в тем |
спектрам |
|
поглощения |
(рис. |
29, |
||||||||||||||||||
ноте до |
опыта; |
2 |
— та |
же |
полоса |
после |
кривая / ) . Аналогичная |
картина |
||||||||||||||||
спыта. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
наблюдается |
и |
для |
|
кристалла |
|||||||||
NaCl. Концентрация F-центров |
|
|||||||||||||||||||||||
определялась по формуле Сма- |
||||||||||||||||||||||||
кулы |
[336] |
и |
для |
кристаллов |
NaCl составляла |
6 |
• |
101 5 |
см~3 |
и |
||||||||||||||
2 • 101 7 см~ъ, |
а для кристаллов |
КС1 — 2 • 101 6 |
см~ъ |
и |
1,5 |
• |
101 8 |
см~ъ. |
||||||||||||||||
Спектроскопически |
[330] |
контролировали |
также |
содержание |
во |
|||||||||||||||||||
дородных |
сУ-центров |
в |
образцах |
NaCl |
и |
КС1 — |
1,0 |
• |
101 7 |
см~ъ, |
||||||||||||||
г |
также |
К-центров в |
кристаллах |
К J |
(1,0 |
• |
101 7 |
слГ"3 ). |
|
|
|
|
Электролитический способ окрашивания кристаллов позволяет получать образцы с нарушенной кристаллической решеткой. Это достигается неоднократным введением и выведением /^-центров при достаточно высоких температурах (на 50° ниже точки плавле ния). В опытах использовали кристаллы, в которых процесс введе
ния |
и выведения окраски |
повторялся 10 раз. Образцы, содержа |
|||||||||
щие |
коллоиды |
различных |
размеров, |
получали |
продолжительным |
||||||
отжигом в |
темноте окрашенных |
кристаллов с |
большой |
исходной |
|||||||
концентрацией |
F-центров |
(рис. |
30, 31). |
|
|
|
|
||||
Образцы-диски готовили скалыванием кристалла по плоскости |
|||||||||||
(100). Толщина образца не превышала |
0,3 мм, его площадь на |
80% |
|||||||||
перекрывала сечение реакционной трубки. Измерения |
спектров |
||||||||||
поглощения |
производили |
на спектрофотометре СФ-4А. |
Кинетику |
||||||||
рекомбинации |
атомов |
водорода |
изучали при общем |
давлении |
газа |
||||||
в системе 0,27 |
мбар |
при |
комнатной |
температуре |
по |
методикам, |
|||||
описанным |
в §§ 5, 7 главы I I I . |
|
|
|
|
|
|
||||
|
Перед началом опыта образцы выдерживали в разрядной трубке |
к, аг'
250
200\
150
100
50
0І |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
Ш |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
\,HM |
Рис. 30. Спектры поглощения кристалла КІС, окрашенного коллоидами. Температура окраски — 700° С:
/— отжиг 5 ч при 300° С; 2 — при 350° С.
И,СМ'1
Ш |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 • Л,Ш |
Рис. 31. Спектры поглощения кристалла NaCI, окрашенного коллои дами. Температура окраски — 730° С:
/ — отжиг 5 ч при 325° С; 2 — при 400° С
в атомах водорода в течение 1 ч\ при этом разогрев образцов контро лировался и достигал ~ 1 2 0 ° С. При этих температурах образовав шиеся на свету Ri, R2 и ./V-полосы разрушались, и оставалась М- полоса, которая составляла 20—25% от общей высоты F-полосы.
При каждом фиксированном расстоянии образца от источника
атомов в течение 3—5 мин достигался стационарный |
разогрев, |
||||||
который |
не |
превышал |
50°. Такие значения |
разогрева |
в |
случае |
|
NaCl, K G и КД не приводят к существенному |
изменению |
характера |
|||||
и числа |
изучаемых дефектов. На рис. 29 (кривая 2) приведен |
спектр |
|||||
поглощения |
исходного |
образца |
КС1 после опыта. Максимальная |
||||
относительная погрешность при |
расчете вероятности |
рекомбина |
ции атомов водорода, определяемая, в основном, ошибкой в изме рении расстояния и температуры образца, находилась для боль
шинства |
опытов в пределах 18—25%. Вычисленные значения |
ве |
|||||||||||||
личины у приведены |
в табл. |
18. |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
18 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(V ± Д V) • ю« |
|
|
|
|
Структура |
поверхности |
кристалла |
NaCl |
KC1 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Монокристалл |
без точечных дефектов |
1,50 ±0,25 |
1,10±0,30 |
1,30 ±0,30 |
|||||||||||
Концентрация |
|
^-центров |
|
|
|
|
2,10 ±0,40 |
|
|
|
|||||
N f = |
6,0-1016 |
слГ3 |
|
|
|
|
|
|
|
— |
|
||||
N/ , = 2,0-1010 |
слГ3 |
|
|
|
|
3,20 |
±0,50 |
1,50+0,35 |
|
||||||
N f = |
2,0 |
|
10" |
САГ3 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
N F = |
1,5-1018 |
см 3 |
|
|
|
|
|
— |
2,30 ±0,35 |
— |
|
||||
Коллоиды |
и единичные |
f-центры |
|
|
3,10 ±0,60 |
|
|
||||||||
Коллоидальные образования из f-цен- |
|
|
|
|
|
||||||||||
тров |
|
кристаллической |
решетки |
3,90 ±0,60 |
|
|
|
||||||||
Нарушения |
|
|
|
|
|
||||||||||
в |
результате |
многократного |
введе |
|
|
|
|
|
|||||||
ния и выведения ^-центров |
|
|
0,17 ±0,05 |
0,66±0,18 |
|
|
|||||||||
Концентрация |
|
tV-центров |
N y |
= |
1,0 X |
1,10±0,20 |
0,80 ±0,20 |
|
|
||||||
X 1017 сн~3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Концентрация |
|
У-центров |
Ny = |
1,0 X |
|
|
|
1,60 ±0,50 |
|||||||
X Ю1 7 слГ3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Введение в решетку кристалла центров окраски (F -, V-центры) |
|||||||||||||||
как |
в случае |
NaCl, так и в случае КС1, KJ способствует |
повыше |
||||||||||||
нию |
каталитической |
|
активности |
этих |
монокристаллов |
примерно |
|||||||||
в полтора |
раза. При больших концентрациях |
F-центров |
скорость |
поверхностной реакции возрастает приблизительно в два раза.
Отметим, |
что ^-центры — точечные |
дефекты — в |
данном случае |
||
оказывают почти такое же влияние, |
как и дислокации. Это можно |
||||
объяснить тем, что дефекты |
решетки |
характеризуются повышенным |
|||
значением |
поверхностной |
энергии, |
что облегчает |
адсорбцию на |
|
них атомов газа и в конечном |
итоге способствует более интенсивно |
||||
му протеканию каталитической |
реакции, идущей по схеме Райдила. |
Образцы, содержащие коллоиды, характеризуются еще более значительным возрастанием вероятности поверхностной рекомби нации атомарного водорода. Согласно обобщенной модели гетеро генных реакций Робертса и Андерсена [337], агрегаты из многих дефектов, благодаря постепенному изменению электронных энерге тических состояний по мере увеличения размеров становятся тер модинамически неустойчивыми и могут в ряде случаев служить теми зародышевыми центрами, на которых развивается реакция.
Наличие точечных дефектов в кристаллической решетке обеспе чивает появление в ней энергетических локальных электронных уровней. Взаимодействие адсорбированных атомов с этими уровня ми дефектов [200] наступает более легко, чем с уровнями совершен ной решетки кристалла. Электрон может быть переведен с занятых
уровней дефектов |
на адсорбированные атомы газа, |
превращая их |
|
в ионы, или образовывать на |
поверхности область с высокой поля |
||
ризуемостью. Эти энергетические уровни электронов |
обеспечивают, |
||
как известно [269], механизм |
легкого переноса энергии электронов |
||
в поверхностной |
области. |
|
|
Что касается влияния ІУ-центров, представляющих по сути анионы водорода (атомы внедряются в решетку в резуль:аге соответствующей термообработки кристалла в водородной среде), то, очевидно, здесь имеет место общее уменьшение энергии связи поверхности скола кристалла с адсорбированными атомами водо рода. Увеличение содержания ^/-центров в решетке кристаллов щелочногалоидных солей всегда приводит к уменьшению коэффи циента рекомбинации водорода.
В противоположность этому коллоиды, полученные при коагу ляции ^-центров, представляют собой, по-видимому, места по верхности, характеризующиеся наиболее прочной связью с атомами из газовой фазы. Существенное уменьшение скорости взаимодейст вия атомарного водорода наблюдается для поверхностей кристал лов NaCl и КС1, подвергнутых предварительному многократному введению и выведению /^-центров. В данном случае происходит раз рушение кристаллической решетки. При этом совершенно изменя ется поверхностный слой твердого тела, а следовательно, величи на и характер сил, действующих между ним и адсорбированными атомами. Д л я рассматриваемой реакции это и приводит к резкому уменьшению поверхностной активности.
Таким образом, введением в кристалл различного числа дефек тов определенного типа можно не только увеличивать, но и умень шать его каталитическую активность. Такое регулирование ката литической активности твердых тел в принципе открывает возмож ности приготовления катализаторов с заданными свойствами.
Мы измерили коэффициенты рекомбинации атомарного водоро да при комнатной температуре и парциальном давлении рн = = 0,05 мм рт. ст. для различных образцов NaCl: свежего скола поверхности (001), скола, предварительно выдержанного в вакууме, с нанесенными на поверхность' пленками золота толщиной 100,
200 и 1000 А, а также чистого |
золота — отожженного, |
травленого |
||||||||||||
в плавиковой кислоте и с нанесенной |
пленкой |
золота |
толщиной |
|||||||||||
200 А. Эти опыты, прежде всего, преследовали цель выяснения вли |
||||||||||||||
яния толщины напыленного слоя, роли подложки, |
а |
также |
сравне |
|||||||||||
ния активности |
пленки и |
массивного образца. Заключение |
о влия |
|||||||||||
нии того или иного фактора на изменение величины |
коэффициента |
|||||||||||||
рекомбинации можно |
сделать |
благодаря |
применению |
статистиче |
||||||||||
ского анализа к результатам многократно повторяемых |
опытов, |
|||||||||||||
используя метод сравнения двух средних |
с помощью |
^-критерия |
||||||||||||
(см. § 12 |
главы |
I I I ) . Результаты |
определения |
у |
для |
указанных |
||||||||
образцов |
приведены в |
табл. 19. Приведены |
средние |
значения v и |
||||||||||
соответствующие |
значения |
дисперсии |
а. |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
19 |
|||
Материал |
Тип образца |
|
Число |
V-10» |
а! -10» |
О" -10s |
||||||||
|
измерении |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
NaCl |
|
Скол |
на |
воздухе |
|
6 |
|
22 |
|
|
6 |
|
3 |
|
|
|
» |
» |
» |
|
5 |
|
19 |
|
12 |
|
4 |
||
|
|
Выдержан в |
вакууме |
6 |
|
26 |
|
13 |
|
4 |
||||
|
|
Пленка |
100 А |
|
|
6 |
|
17 |
|
|
4 |
|
2 |
|
|
|
100 А |
|
|
5 |
|
24 |
|
|
5 |
|
2 |
||
|
|
200 А |
|
|
7 |
|
68 |
|
66 |
|
8 |
|||
|
|
1000 А |
|
|
6 |
|
52 |
|
20 |
|
5 |
|||
Au |
|
Отожженный |
|
|
6 |
|
39 |
|
|
3 |
|
2 |
||
Au |
|
Травленый |
|
|
6 |
|
53 |
|
11 |
|
3 |
|||
Au |
|
» |
|
|
|
5 |
|
60 |
|
|
5 |
|
2 |
|
Au -f- Au |
Пленка |
200А |
|
|
7 |
|
69 |
|
31 |
|
6 |
|||
Результаты статистической обработки позволяют сделать сле |
||||||||||||||
дующие выводы. Д л я |
разных |
образцов |
NaCl, исследуемая |
поверх- |
- ность (001) которых получалась скалыванием на воздухе, коэффи
циенты |
рекомбинации YH статистически |
не |
отличаются друг от |
|||||
друга. Различие в Y может |
быть |
отнесено |
за |
счет |
ошибок |
экспе |
||
римента |
(воспроизводимости), |
характеризующихся |
дисперсией |
|||||
Ствосп = |
9 • Ю - 6 . Выдержка |
поверхности |
скола в |
вакуумной |
уста |
|||
новке в течение 1 ч при работающем высоковакуумном |
паромасля- |
ном насосе без применения вымораживающей азотной ловушки приводит к образованию на поверхности образца тончайшей угле водородной пленки. Эта пленка видна в электронном микроскопе (рис. 32) в местах, не занятых напыленным на NaCl золотом. Однако такая пленка не приводит к статистически значимому изменению значения коэффициента рекомбинации.
Напыление на поверхность скола кристалла в вакууме пленки
золота толщиной |
100 А также |
не приводит к заметному изменению |
|||
значения |
Y п 0 |
сравнению с |
коэффициентом рекомбинации для |
||
NaCl. Значения |
коэффициента |
рекомбинации для массивного крис |
|||
таллического |
золота определялись на |
отожженной пластине золота |
|||
и на той |
же |
пластине, подвергнутой |
предварительному травлению |
в царской водке. Травление |
способствует увеличению |
коэффициен |
та рекомбинации. Напыление |
пленки золота толщиной |
1000 А дает |
значение у, не отличающееся |
от значения у для массивного травле |
|
ного образца. Пленка золота |
200 А имеет коэффициент |
рекомбина |
ции, статистически значимо отличающийся от коэффициентов ре
комбинации как для |
NaCl |
(и не отличающегося |
от него — для NaCl |
||||||||||||||||
с пленкой |
золота толщиной |
|
100 А), так и для массивного |
золота. |
|||||||||||||||
|
Таким образом, |
|
при увеличении |
толщины |
напыленного |
слоя и |
|||||||||||||
связанном с ним увеличении |
|
ча |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
сти |
поверхности |
кристалла, |
|
за |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
нятой |
золотом, |
происходит |
|
по |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
степенный рост у, который при |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
дальнейшем увеличении толщины |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
снова уменьшается, достигая зна |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
чения у дл я массивного |
золота |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Такой экстремальный |
харак |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
тер |
зависимости |
у |
= f |
(х), |
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
х — толщина пленки, может быть |
|
|
|
^0 |
600 800 |
1000 Х,А |
|||||||||||||
Объяснен |
СЛедуЮЩИМ |
Образом. |
|
|
2 0 0 |
||||||||||||||
Поскольку |
процесс |
рекомбина- |
Рис. 33. Рекомбинация атомов водорода |
||||||||||||||||
ЦИИ атомов |
МОЖНО |
|
считать |
ЭТО- |
н а |
пленках Аи, нанесенных |
на NaCl. |
||||||||||||
марно-локальным, то измеряемое |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
значение у |
должно |
подчиняться |
закону |
аддитивности |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
У = |
7Аи(пл)'5пл + ТЫаС^ЫаС! + |
7Аи(мас)5м а с- |
|
(16.1) |
|||||||||||
Здесь |
YNaci, |
7Аи(пл) |
|
и 7ди (мас) — коэффициент |
рекомбинации |
ато- |
|||||||||||||
мов |
водорода |
дл я поверхности |
NaCl, |
напыленной |
пленки |
золота |
|||||||||||||
и массивного золота; |
SNaci, |
|
и S M a c |
— соответствующие доли по |
|||||||||||||||
верхности |
исследуемого |
|
кристалла. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Если бы каталитические |
свойства золота были одинаковы неза |
|||||||||||||||||
висимо |
от того, в каком |
виде |
оно находится — массивного |
образца |
|||||||||||||||
или |
тонкой |
пленки,— т. е. |
уди(пл) = |
ТАи(мас), |
то |
изучаемая |
зави- |
симость должна была бы иметь вид, показанный на кривой 1 рис.-33; ход последней определяется лишь постепенным «заполнением» поверхности NaCl пленкой золота, которая, как известно, до тол щин порядка 103 А является несплошной. Наличие максимума (кривая 2) указывает на то, что улщпл) > УАи(мас). Это свидетель ствует о большей термодинамической нестабильности тонкой плен ки. Об этом же , видимо, говорит и аномально большое значение среднеквадратичной ошибки (и дисперсии) дл я образцов с пленкой золота в 200 А на подложке из NaCl и золота. Кривая 3 представля ет собой гипотетическую кривую, отвечающую случаю сохранения нестабильности и повышенной адсорбционной способности при зна чительной толщине пленки. Различие хода экспериментальной кри
вой 2 и <3 при больших х объясняется |
изменением свойств пленки: |
с ростом толщины она переходит в |
более устойчивое состояние, |
соответствующее массивному металлу, т. е. перестает быть собствен но тонкой пленкой.