Уровни представления структуры макропористого адсорбента при изучении адсорбционных явлений
А.С. Лекомцев2, И.В. Чернышев1
1Волгоградский государственный университет, Волгоград
2Волгоградский кооперативный институт, Волгоград
Заметные успехи в изучении адсорбционных явлений были достигнуты в рамках полуэмпирической молекулярно-статистической теории адсорбции в атом-атомном приближении (метод ААП) [1, 2]. Поверхность адсорбента в этом подходе зачастую моделируется базовой поверхностью – базисной гранью графита, плоской углеродной поверхностью, однородной геометрически и энергетически. Реальная поверхность, даже не принимая во внимание неизбежные дефекты ее структуры, требует более сложного представления. При ее описании следует учесть кривизну микрогранул адсорбента, наличие линейных контактов этих гранул, а также более общий случай – трехчастичные контакты (кластер частиц). Контакты бòльшего числа частиц можно представить как суперпозицию контактов указанных типов.
В работе [3] приведены результаты изучения методом ААП адсорбционных свойств базовой поверхности. В настоящей работе эти исследования продолжены с учетом рассмотрения нескольких уровней представления структуры поверхности, таких, как однородная плоская поверхность, изолированная частица, контактирующие частицы сорбента и кластер частиц.
Влияние кривизны поверхности на ее адсорбционные свойства можно оценить путем сравнения энергии взаимодействия пробных молекул с базовой поверхностью и с поверхностью фуллерена С60 – частицы со сферической симметрией. Сближение двух таких молекул на расстояние Ван-дер-Ваальсова радиуса позволяет изучить адсорбционные свойства контакта частиц сорбента, а конгломерат из трех молекул фуллерена – кластер частиц, моделирующий элементарную пору.
Для оценки зависимости интенсивности взаимодействия адсорбат-адсорбент от характера кривизны поверхности была изучена энергии взаимодействия адсорбента с пробными частицами (атом углерода и молекула циклогексана) на различных уровнях представления его структуры. Результаты расчета представлены в табл. 1.
Таблица 1. Энергия взаимодействия адсорбента с пробными частицами на различных уровнях представления его структуры
Представление поверхности адсорбента
Fmin,кДж/моль
атом С
циклогексан
Изолированная молекула С60
–4,6
–26,6
Базисная грань графита
–7,1
–49,7
Контакт двух молекул С60
–8,2
–41,7
Контакт трех молекул С60
–10,9
–58,3
Из представленных данных следует, что искривление поверхности адсорбента приводит к существенному уменьшению его взаимодействия с адсорбатом по сравнению с базовой плоскостью.
Повышение адсорбционного потенциала в клиновидной поре между двумя частицами позволяет в значительной степени компенсировать отрицательный вклад кривизны поверхности. Для пробного атома углерода адсорбционный потенциал в поре даже выше, чем на базовой плоскости. В случае же более крупной молекулы циклогексана наблюдается лишь неполная компенсация.
Рис. 1. Адсорбция пробной молекулы циклогексана на поверхности контактирующих частиц
Для кластера частиц появление поры между тремя частицами приводит к закономерному увеличению интенсивности взаимодействия – весьма заметному как в случае сферического атома углерода, так и для компактной молекулы циклогексана.
Полученные результаты представлены на рис. 1, где показана адсорбция пробной молекулы циклогексана на поверхности контактирующих частиц в ориентации с наибольшей энергией взаимодействия. Красным цветом изображена сглаженная посадочная площадка, недоступная другим молекулам сорбата.
Отмеченное повышение адсорбционного потенциала в клиновидной поре относительно поверхности изолированной частицы приводит к предпочтительной адсорбции молекул на этом участке поверхности кластера в ситуации, когда участок с самой высокой энергией взаимодействия уже занят (рис. 2).
a)
c)
Рис. 2. Последовательная адсорбция пробной молекулы циклогексана на поверхности кластера частиц: a) первая молекула; b) вторая молекула; c) третья молекула
Таким образом, рассмотрение нескольких уровней представления структуры поверхности адсорбента позволяет получить более детальную и адекватную модель процесса адсорбции.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Волгоградской области (грант № 11-03-97035 р_поволжье_а).
Буряк А.К. // Успехи химии. 2002. Т. 71. № 8. С. 695 – 706.
Яшкин С.Н. // Ж. физ. химии. 2008. Т.82. №6. С. 1145-1150.
Лекомцев А.С, Чернышев И.В. Влияние дефектов структуры поверхности на энергию адсорбционного взаимодействия // Научный электронный архив Академии естествознания. URL: http://econf.rae.ru/article/7176 (дата обращения: 13.12.2012).
2
Библиографическая ссылка
Лекомцев А.С, Чернышев И.В. Уровни представления структуры макропористого адсорбента при изучении адсорбционных явлений // Фундаментальные и прикладные проблемы химии
.
URL: http://econf.rae.ru/article/7209 (дата обращения: 24.04.2024).
Прочитать публикацию в формате PDF
