气体的吸附和表面化学.ppt

§17-3 表面性质对表面反应性能的影响 ㈠ 表面组成和价态的影响 ㈡ 表面结构的影响 §17-4 表面吸附态和表面反应机理 ㈠ 热脱附方法研究表面吸附态 ㈡ 用表面能谱研究表面吸附态 ㈢ 用扫描隧道探针研究表面吸附态 §17-1 气体在固体表面的吸附 ㈠ 物理吸附和化学吸附 物理吸附 化学吸附 ㈢ 朗格缪尔吸附等温式 吸附等温式：恒温时气体在固体表面上的吸附量与其平衡压力间的关系 朗格缪尔（Langmuir）在单分子层吸附理论的基础上建立了气体平衡压力与吸附量的数学关系，解释了实验测得的吸附等温线 理论的基本假设： (1) 固体表面是均匀的，因此它对所有分子吸附的机会都相等，而且吸附热以及吸附和脱附活化能与覆盖度无关（表面均匀…） (2) 每个吸附位置只吸附一个气体分子，而且吸附分子之间没有相互作用（单位吸附…） (3) 吸附只进行到单分子层为止（单层吸附） (4) 吸附平衡是动态平衡，即达到平衡时吸附速率和脱附速率相等（动态平衡） ㈣ 费罗因德利希（Freudlich）和捷姆金（Temkin）吸附等温式 考虑了吸附热与覆盖度的关系 费罗因德利希吸附等温式 捷姆金吸附等温式 §17-2 现代表面化学的研究内容 表面化学在原子或分子水平上研究两相界面上所发生的化学过程 固体表面的组成、结构、电子性质，以及它们如何影响气体在固体表面的吸附、脱附和表面反应等问题 ㈠ 表面组成的研究 表面富集：表面组成与体相组成不同 表面能改变 ㈢ 表面反应的研究 表面反应： 表面参与化学反应：反应前后表面组成和结构均发生了变化 借助表面：反应前后表面未发生变化 因此需要获得清洁表面 压力为p时，单位体积的气体分子与单位金属表面的碰撞频率： §17-4 表面吸附态和表面反应机理 ㈠ 热脱附方法研究表面吸附态 热脱附：吸附物从吸附剂的点阵振动中获得的热运动能等于或大于脱附活化能时所发生的脱附过程 ㈡ 用表面能谱研究表面吸附态 ㈢ 用隧道扫描探针研究表面吸附态 常规XRD方法仅能得到体相结构信息 两种研究表面结构特别重要的表征手段 低能电子衍射 (Low energy electron diffraction, LEED) 扫描隧道显微镜 (Scanning tunneling microscopy, STM) Low Energy Electron Diffraction (LEED) 当以电压V （20-500 V）加速电子时 100 V LEED利用能量20-500 eV的单色电子束与单晶样品表面相互作用，检测弹性背散射电子（衍射电子）的信号。电子发生衍射必须满足Bragg方程 n? = dhksin?hk 入射电子束波长 ? 衍射电子束 d ? 垂直入射 在该能量范围内，电子在固体中的弹性平均自由程仅为几个原子层，所以弹性电子仅存在于表面 Eo Eo T = 298 K时 单位：Pa 摩尔质量 当p = 101325 Pa，空气的摩尔质量为29，代入上式可得 Z = 2.87?1023 cm-2 s-1 金属表面原子密度一般为1015 cm-2 即每个原子每秒受到108次撞击！ 而压力10-6-10-8 Pa时，碰撞频率1010-1012 cm-2 s-1，每个原子每103-105 s受到1次撞击 故表面化学研究一般需要在真空系统中进行 在表面科学中，用Langmuir（L）表示气体的表面暴露量 1 L = 10-6 Torr s = 1.333?10-4 Pa s 超高真空系统示意图 常用的测定表面组成和结构的表面技术原理及可获得的信息 吸附物种的组成和吸附、脱附能 由热导致吸附物种脱附或分解 TDS 热脱附谱 表面组成 离子束电离表面原子为正负离子射出 SIMS 二次离子质谱 价电子发射 UPS 紫外光电子能谱 表面原子和吸附物种的 电子结构和氧化态 芯能级电子发射 XPS X-射线电子能谱 吸附气体的键合 通过吸收红外辐射引起表面原子的振动激发 IR 红外光谱 表面原子和吸附物种的 结构和键合 激发表面原子的振动引起低能电子的非弹性反射 HREELS 高分辨电子能量损失谱 表面组成 被电子、X-射线或离子轰击，激发表面原子的电子发射 AES 俄歇电子能谱 表面和吸附气体原子表面结构 低能电子的弹性背散射 LEED 低能电子衍射 能获得的信息 物理基础 名称缩写 表面分析方法 §17-3 表面性质对表面反应性能的影响 ㈠ 表面组成和价态的影响 41.0 4.0 17.0 27.0 11.0 表面组成（还原后） 40.0 4.7 10.7 36.1 8.6 表面组成（还原前） 53