Научный отчет № 5483

Название
Взаимодействие диссоциированного воздуха с поверхностью β-кристобалита (SiO₂): моделирование процессов адсорбции, десорбции и рекомендации.
Авторы
Крупнов А.А., Погосбекян М.Ю.
Аннотация
Разработана модель взаимодействия диссоциированного воздуха с поверхностью теплозащитного материала SiO₂ (β-кристобалит). Для описания гетерогенных процессов использовался кластерный подход, в котором поверхность (111) кристалла SiO₂ моделировалась различными кластерами, передающими стехиометрию кристалла и валентные состояния, лежащие на поверхности SiO₂ атомы кремния и кислорода. В процессе моделирования рассматривались три места адсорбции. Для рассматриваемых центров адсорбции определены энергии адсорбции атомов N, O и молекул N₂, O₂, NO, ON. Показано, что химическая адсорбция реализуется только на одном центре адсорбции S1. В то время как на остальных центрах адсорбции S2 и S3 осуществляется физическая адсорбция, определяемая вандерваальсовым взаимодействием. Показано, что проникновение атомов кислорода и азота внутрь кристаллической структуры приводит к дезактивации активного центра S1 в результате связывания валентного электрона атома кремния первого слоя. На основе теории переходного состояния в приложении к поверхностным реакциям были вычислены константы скоростей процессов адсорбции-десорбции на кластере Si4O6H9, отвечающим месту адсорбции S1. Реакции ударной рекомбинации с образованием молекул O2, N2, NO моделировались последовательностью химической адсорбции газофазного атома на уже адсорбированный атом и последующей десорбции образовавшейся молекулы. При образовании молекул NO рассмотрены два возможных случая рекомбинации - когда атом азота из газовой фазы взаимодействует с адсорбированным атомом кислорода и когда атом кислорода из газовой фазы взаимодействует с адсорбированным атомом азота. Константы скоростей реакций рекомбинации вычислялись в предположении квазистационарности концентраций промежуточных комплексов. Все рассчитанные константы скорости рассматриваемых процессов были аппроксимированы в обобщенной форме Аррениуса в диапазоне температур 500-2200 K.
Год публикации
2021 г.
Объём
73 с.
Научный руководитель
Крупнов А.А.
Ключевые слова
адсорбция, рекомбинация, квантовая механика, метод функционала плотности DFT, теория переходного состояния, кластерный подход, гетерогенные реакции.