Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Лавренко, В. А. Рекомбинация атомов водорода на поверхностях твердых тел

.pdf
Скачиваний:
27
Добавлен:
22.10.2023
Размер:
12.65 Mб
Скачать

кислоты, 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

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.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ