Квантово-механическое изучение взаимодействия углеродных наночастиц с кислородом

• Автор: Михайленко, Елена Альбертовна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Хабаровск
• Количество страниц: 103 с. : ил.

ГЛАВА I СОВРЕМЕННАЯ СТЕПЕНЬ ИЗУЧЕННОСТИ СТРУКТУРЫ

И СВОЙСТВ САЖЕВЫХ ЧАСТИЦ

1.1. Структура углеродных частиц

1.2. Окисление углерода 21 ГЛАВА II МЕТОДЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

НАНОСИСТЕМ

2.1 Полуэмпирические методы расчетов

2.2 Неэмпирические методы теоретических расчетов

2.3 Использование псевдопотенциалов в неэмпирических методах

ГЛАВА III МОДЕЛИРОВАНИЕ ОКИСЛЕНИЯ НАНОКЛАСТЕРОВ УГЛЕРОДА КИСЛОРОДОМ
3.1. Определение стабильности и активности углеродных нанокластеров.
ГЛАВА IV. КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ НАНОКЛАСТЕРОВ УГЛЕРОДА.

3.2. Тестирование используемых методов
3.3 Окисление углерода молекулярным кислородом
3.3.1 Окисление цепочек углерода 5
3.3.2 Окисление графеновых частиц
3.4 Окисление углерода атомарным кислородом

4.1 Моделирование частицы оксида молибдена
4.2 Взаимодействие Мо?Об с модельными кластерами углерода
4.3 Каталитическая роль оксида молибдена в окислении нанокластеров углерода
4.4 Механизм каталитической диссоциации молекулярного кислорода на поверхности оксида молибдена.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

Актуальность
Тема, затронутая в данной работе - изучение реакций окисления углеродных частиц кислородом (в виде молекулы, свободного атома или атома, входящего в состав оксидов металлов) - представляет значительный интерес для науки и практики. До сей поры, существует проблема неполного сгорания углей и дизельных топлив, в результате которого образуется сажистый углерод, загрязняющий окружающую среду и приводящий к сокращению срока службы дизельных двигателей. В основе решения этой проблемы лежит определение механизма и условий, влияющих на продуктивность окислительной реакции; немаловажную роль в уменьшении образования сажи играет подбор катализатора, способного значительно снизить энергию зажигания для сажистых частиц и повысить коэффициент полезного действия твердых топлив. Взаимодействие углерода с кислородом лежит в основе использования углерода в качестве восстановителя при получении чистых металлов и карбидов, которые имеют большое значение для народного хозяйства. Для того чтобы достичь полного окисления углерода необходимо либо устранить образование сажи, либо подобрать такие условия горения, при которых образующаяся сажа сразу же будет вступать в окислительное взаимодействие. Прежде чем начать изучение непосредственно реакции горения сажевых частиц необходимо изучить их структуру и размер.
В последние годы значительный научный интерес сфокусирован на изучении малых углеродных кластеров. Это связано с открытием фуллере-нов, нанотрубок, с определением механизма и условий их синтеза, с выяснением компонентов неструктурированного «аморфного углерода». Изучению фуллеренов и нанотрубок посвящено множество работ. Ученые всего мира интересуются их свойствами и областью применения. В тени этих исследо-

Изучив линейные, гексагональные и алмазоподобные кластеры размером до 30 атомов, мы пришли к заключению, что образование линейных и гексагональных кластеров наиболее выгодно с энергетической точки зрения.
Расчеты, проведенные с использованием метода РМЗ [51], дают результаты, хорошо согласующиеся с литературными данными и четко отражающие зависимость стабильности гексагенных частиц от четности числа атомов в них [95]. С помощью метода РМЗ были определены границы стабильности линейных и гексагенных частиц. Сначала мы строили модель определенной структуры, затем оптимизировали ее геометрию и определяли общую энергию системы. Моделируя линейные, графитные, и алмазоподобные частицы, состоящие из равного числа атомов углерода, определили зависимость стабильности определенной структуры наночастиц от размера. Используемые нами методы учитывают спин-поляризацию изучаемых систем, поэтому мы рассчитывали общую энергию системы при двух состояниях - синглетном и триплетном. Для того чтобы исключить значительные перемещения кластера внутри ячейки мы фиксировали один атом углерода, а другие имели возможность релаксировать. Выяснив, таким образом, какие кластеры являются наиболее стабильными, мы приступили ко второму этапу исследования, а именно к определению наиболее активных атомов углерода. Для этой цели изучали взаимодействие внутренних и краевых углеродных атомов с молекулярным кислородом. Под внутренними атомами мы понимаем те атомы, которые имеют максимально возможное при данной конфигурации количество соседей. Краевые атомы соответственно те, которые имеют оборванные связи. Молекулу кислорода относительно кластера располагали двумя способами - параллельно и перпендикулярно. На этом этапе моделирование проводилось с помощью полуэмпирического метода РМЗ, так как уже на первом этапе определилась его большая пригодность для изучения углеродных систем.
Сравнение активности краевых и центральных атомов углерода показало, что краевые атомы линейных кластеров более активно вступают во