催化原理-吸附作用

线缺陷

线缺陷涉及到一条原子线的误放，也叫位错 （Dislocations），是固体物理的重要范畴。

在位错线内及其附近有较大的应力集中，形 成一个应力场，因此在线上的原子平均能量 比正常晶格位置处要大。 位错在晶体内一定会形成一封闭的环，或终 止于晶体表面，或晶粒间界上。不能在晶体 内部终止。
0K, 完美晶体
Schottky defects
对离子化合物， 缺陷是由阳离子缺位和阴离子缺位所组 成的，是成对出现的。原来的阴阳离子迁移到表面。
对金属， 缺陷是由金属原子缺位所造成的。
Frenkel defects
M+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ M+ XM+ XM+ XM+ XXM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ M+ XM+

线缺陷

边位错（edge dislocation） 螺旋位错 （screw dislocation）

面缺陷

堆垛层错（stacking faults）
颗粒边界（grain boundaries）
由晶面的错配（mismatch）和误位（misplacing）造成的

电子缺陷

电子缺陷与晶体内部的原子排列规则性无关。
表示为2nb, 3na, nc的一族 平行的平面（n=1.2.· · · n）
低密勒指数表面
Low index planes of fcc crystal
高密勒指数的表面
面心立方（fcc）金属 （977）表面和（557） 表面 •其特点是 :台阶和扭曲原子的浓度比低指数的表面 大,配位数小。因此表面能大，吸附能力强。 •但不太稳定。容易转化为低密勒指数的表面。

"for
his studies of chemical processes on solid surfaces".
Modern surface chemistry – fuel cells, artificial fertilizers and clean exhaust The Nobel Prize in Chemistry for 2007 is awarded for groundbreaking studies in surface chemistry. This science is important for the chemical industry and can help us to understand such varied processes as why iron rusts, how fuel cells function and how the catalysts in our cars work. Chemical reactions on catalytic surfaces play a vital role in many industrial operations, such as the production of artificial fertilizers. Surface chemistry can even explain the destruction of the ozone layer, as vital steps in the reaction actually take place on the surfaces of small crystals of ice in the stratosphere. The semiconductor industry is yet another area that depends on knowledge of surface chemistry.

在平行于表面的方向上，表面原子的平行对 称性与体相不同，这种现象成为表面重构。
烧结（ Sintering ）
吸附（Adsorption）
吸附可以导致表面化合物的形成，占据表面空位。
吸附是催化反应的第一步，是催化过程的“驱动 力”。 1.33×10-4Pa· S(1×10-6Torr· S) 1个Langmuir

由于体相三维结构在表面中断，表面原子（或 离子）的配位发生变化，表面原子附近的电荷 分布发生变化，所处的力场也发生变化。
为了降低体系的能量，表面原子常会产生相对 与正常位置的上、下位移，使表相中原子（离 子）层间距偏离体相内的层间距，发生压缩或 膨胀。这种位移称为表面驰豫。

表面重构（Surface reconstruction）
吸附的重要性
吸附
脱附
吸/脱附（Adsorption）
吸附质
吸附剂

当气体与固体的清洁表面接触时，与固体表面发 生相互作用，气体分子在固体表面出现累积，其 浓度高于气相，这种现象叫吸附。
吸附和脱附的定义

吸附--某种物种的分子由于物理或化学的作用力 使附着或结合在两相的界面上（固-固的相界面除 外），从而使这种分子在两相界面上的浓度大于 体系的其它部分。 脱附——被吸附的分子在表面还有一定的热运动 和振动。当由于温度升高或其它因素，使吸附的 分子就会离开表面逸入外空间。这个过程叫脱附。

什么是表面？


是体相的终止 对固体材料而言，表面与体相具有不同 的性质 表面化学（Surface Chemistry）或 表面科学（Surface Science）
Gerhard Ertl，The Nobel Prize in Chemistry 2007
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin, Germany
Crystal surface structure, based on the fcc(111) plane with (100）steps, showing different types of atomic environment
O2 在不同金属表面的粘着系数
Metal Rh Pt Cu Ag
2、吸附位能曲线
＋
能量 Qp
Qa 与表面的距离
－
2、吸附位能曲线
自由电子与正空穴
晶体中特定离子或原子所束缚的电子，跃迁到另一个不同 能级上成为自由电子，就在原来的位置上留下一空穴。 自由电子和空穴如果是在没有杂质影响下产生的，叫本征 电子缺陷。相反，称为外来电子缺陷。 激子（excitions） 在特定条件下，一自由电子和一空穴相互吸引成为一中性 的、能自由行动的激态。 激子可在晶体内部移动，也可释放其结合能。
x a
c b y
晶面与坐标轴相交时，截距必为单位向量长度 (晶胞尺 寸)的整数倍。 与坐标轴不相交时，其截距为无限大。 为避免用无限大，故用截距的倒数的互质整数比来 表示一组平面点阵:
1 1 1 : : h:k :l h k l
h、k、l为晶面指数或密勒指数 上例： 1 1 1
: : 2 :3: 6 3 2 1
Al2O3
CeZrO2
2. 晶面与晶面指数
晶面 平面点阵在晶体外形上的表现. 晶棱 直线点阵在晶体外形上的表现. 晶体 空间点阵在晶体外形上的表现. 通常用密勒(Miller)指数来描述晶面. a,b,c为晶胞尺寸 z

x 3a ha y 2b k b z c l c
晶体缺陷

点缺陷 (Point defects) 线缺陷 (Line defects)，也叫位错(Dislocations)


面缺陷 (Plane defects)
电子缺陷（Electronic defects）
Leabharlann Baidu


非化学比缺陷
复合缺陷（原子簇、剪切结构、超晶格）
点缺陷


本征缺陷（intrinsic defects）

物理吸附的特点： 不改变吸附分子的电子状态和分子结构 吸附分子在固体表面上存在的状态是二 维排列的多分子层分子、原子的集合体。
物理吸附与化学吸附的区别
物理吸附 推动力 吸附热 吸附速率 脱附活化能 发生温度 选择性 吸附层 可逆性 范德华力 0～40kJ/mol 不需要活化，快 ～凝聚热 接近气体的液化点 无 多层 可逆或不可逆 化学键力 ≥80 kJ/mol 需要活化，慢 ≥化学吸附热 常在高温下 有 单层 可逆 化学吸附
第二章 吸附作用
吸附作用


概述 物理吸附与化学吸附 吸附的位能曲线 吸附态与吸附化学键 吸附离子在表面上的运动 溢流效应
参考书：


催化化学导论，韩维屏，科学出版社， 2003年 表面化学与多相催化，吴清辉，化学工 业出版社，1991年
一、概述

为什么要研究吸附？ 什么是吸附？ 为什么会发生吸附？
M+ X-
0K, 完美晶体
Frenkel defects
一个弗朗克缺陷是由一间隙离子（原子）和一个 缺位所组成的。是由晶格中的离子(原子)偏离了 正常位置而迁移到晶格间隙所造成的。
Extrinsic defects

由外来杂质的引入，所造成的缺陷。其 数量与温度无关，只与杂质数目和种类 有关。
如：Ca、Mg渗入NaCl，会产生1个Na+空位 Al渗入NaCl，会产生2个Na+空位
a x
z c b y
七大晶系
14种空间点阵
简单立方 面心立方 体心立方 简单六方
简单四方 体心四方
简单菱方 简单正交 底心正交 体心正交 面心正交
简单单斜 底心单斜 简单三斜
晶体缺陷

根据热力学第三定律，除了所处环境是 绝对零度外，所有物理体系都存在不同 程度的不规则分布，即熵不等于零。

Burger回路

定义：在晶体中取三个不相重合的基矢α、 β、γ，从晶体中的一点出发，以基矢为单 位步长，沿基矢方向前进，最后回到出发点， 构成一闭合回路，成为Burger回路。
若回路所围绕的区域中没有线缺陷，则： nα+ mβ+ lγ = 0 (n,m,l为整数） 若回路所围绕的区域中有线缺陷，则： nα+ mβ+ lγ = b (Burgers 矢量) 晶体中某方向上两原子的距离或其整数倍。
肖特基缺陷 (Schottky defects) 弗朗克缺陷 (Frenkel defects)

杂质缺陷（extrinsic defects）
Schottky defects
M+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ M+ XM+ XM+ XM+ XXM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ M+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ XM+ M+ X-
3、催化剂的表面结构
晶体表面原子（或离子）排列的周期性和化 学组成与体相不同。 表面配位不饱和，能量高，热力学不稳定。 表面驰豫（Surface relaxation） 表面重构（Surface reconstruction） 烧结（Sintering） 吸附（Adsorption）
表面驰豫（ Surface relaxation ）

1、晶体

固体材料一般可分为晶态和非晶态两种，绝大 多数的催化剂是以晶态方式存在的。
晶体—是由大量的质点(原子,离子或分子)按空 间点阵有规则地排列而成的物质。晶体的最小 重复单位是晶胞。 点阵—是点在空间周期性的有规则的排列。



晶体结构 = 点阵 + 基元(晶胞)

晶胞可用三个长轴 a, b, c 和 , , 六 个参数来描述，按照 这六个参数不同的取 值组合存在7大晶系和 14种空间点阵。
Sticking coefficient (110) 0.5 0.5 0.2 10-3
(111) 0.5 0.05 10-3 10-5
§2 物理吸附与化学吸附

1 物理吸附与化学吸附 2 吸附位能曲线

吸附的分类

物理吸附——是反应物分子靠范德华力吸附 在催化剂表面上。它类似于蒸汽的凝聚和气 体的液化。对反应速度常数基本上没有影响。 化学吸附——类似于化学反应，作用力为化 学键力，涉及到吸附质分子与固体之间的电 子重排、化学键断裂或形成。吸附质分子与 催化剂表面形成化学键。