Научная статья на тему 'Моделирование адсорбции сложных молекул с различной ориентацией в адсорбционном слое в случае квадратной решетки'

Моделирование адсорбции сложных молекул с различной ориентацией в адсорбционном слое в случае квадратной решетки Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
363
53
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Горбунов Инталий Алексеевич, Мышлявцев Александр Владимирович, Мышлявцева Марта Доржукаевна, Фефелов Василий Федорович

Построена и изучена решеточная модель адсорбции сложных молекул с возможностью различной их ориентации в адсорбционном слое. Моделирование проводилось с помощью метода трансфер-матрицы и метода Монте-Карло. Обнаружено немонотонное изменение степени покрытия поверхности с ростом химического потенциала (количество свободных активных центров поверхности увеличивается с ростом давления в газовой фазе).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Горбунов Инталий Алексеевич, Мышлявцев Александр Владимирович, Мышлявцева Марта Доржукаевна, Фефелов Василий Федорович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Modeling of adsorption of complicated molecules with various orientation in adsorbed overlayer in the case square lattice

The lattice model of complicated molecules adsorption with possibility of different orientations in adsorbed overlayer has been constructed and Studied. Simulation carried out with application of the transfer matrix and the Monte Carlo methods. Infinite strong repulsive nearest-neighbors lateral interactions have been taken into the model. Non-monotonous change of surface coverage with increase chemical potential has been found. (The number of vacant site is increased with growth of the pressure in gaseous phase). It is shown that the existence of the ordered phase with different orientation molecules in adsorbed overlayer is the reason of the non-monotonous behavior of total surface coverage.

Текст научной работы на тему «Моделирование адсорбции сложных молекул с различной ориентацией в адсорбционном слое в случае квадратной решетки»

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 541.124/128 в. А. ГОРБУНОВ

А. В. МЫШЛЯВЦЕВ М. Д. МЫШЛЯВЦЕВА В. Ф. ФЕФЕЛОВ

Омский государственный технический университет

Институт проблем переработки углеводородов СО РАН

МОДЕЛИРОВАНИЕ АДСОРБЦИИ СЛОЖНЫХ МОЛЕКУЛ С РАЗЛИЧНОЙ ОРИЕНТАЦИЕЙ В АДСОРБЦИОННОМ СЛОЕ В СЛУЧАЕ КВАДРАТНОЙ РЕШЕТКИ

Построена и изучена решеточная модель адсорбции сложных молекул с возможностью различной их ориентации в адсорбционном слое. Моделирование проводилось с помощью метода трансфер-матрицы и метода Монте-Карло. Обнаружено немонотонное изменение степени покрытия поверхности с ростом химического потенциала (количество свободных активных центров поверхности увеличивается с ростом давления в газовой фазе).

Введение

Физико-химические процессы, протекающие на поверхности твердого тела, играют значительную роль в различных областях практики. На фундамен-

тальных исследованиях физики и химии поверхности твёрдого тола базируются все замечательные достижения в области конструкционных материалов, современной микроэлектроники, оптики, радио- и геофизики. Столь же значимы проблемы поверхности и

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИК М» 2 (М) 2007

для химии. Поверхностные процессы играют основную роль в явлениях гетерогенного катализа, адсорбции, электрохимии и коррозии металлов. Перед промышленной химией стоит задача приготовления достаточно активных и селективных катализаторов. Научиться управлять хемосорбционными и каталитическими свойствами поверхности - одна из первоочередных задач химической технологии [1,2].

К элементарным физико-химическим процессам на поверхности относятся адсорбция, десорбция, поверхностная диффузия, элементарные химические реакции и др. Исходя из природы взаимодействий, приводящих к адсорбции, можно выделить достаточно отчётливо две группы: физическая и химическая адсорбция. Принципиальным свойством хемосорбции является её локализованный характер, что означает наличие на поверхности выделенных мест для адсорбции молекулы (активных центром), образующих в случае грани монокристалла правильную двумерную решётку. В зависимости оттого, сколько активных центров занимает при адсорбции одна молекула, различают одноцентровую и многоцентровую адсорбцию. Несмотря на практическую важность многоцентровой адсорбции, большинство теоретических работ посвящено одноцентровой хемосорбции [3-5]. Явление же мноюцеитровой адсорбции изучено недостаточно [6-17]. Это связано с тем, что при построении и исследовании таких моделей возникает ряд статистических трудностей: отсутствие статистической эквивалентности между адсорбированными частицами и вакансиями на поверхности: любая занятая вакансия указывает на то, что, по крайней мере, одна из соседних вакансий тоже занята; нельзя точно определить, произойдет ли адсорбция на данной изолированной вакансии [6-11]. В отличие от одноцентровой (моноатомпой) адсорбции, которая в отсутствии латеральных взаимодействий может быть описана точно, для многоцентровой адсорбции даже в этом простейшем случае точное решение неизвестно, за исключением одномерной модели невзаимодействующих димеров. Однако распространение этих результатов на другие размерности выполнить не удается. По этой причине анализ изотерм адсорбции димеров и других ее характеристик проводится с использованием приближенных методов, таких, как приближение среднею поля, квазихимическое или кластерное приближение, и методы Монте-Карло [13-16]. В работе [17] была изучена модель, описывающая в нервом приближении адсорбцию полярных гетеро-ядерных двухатомных молекул на однородной поверхности. методом трансфер-матрицы (МТМ) [18-20]. Хотя различная ориентация адсорбированных молекул на поверхности — факт довольно известный [21-24], практически отсутствуют работы, посвященные моделированию адсорбции сложных нелинейных молекул с различной их ориентацией в адсорбционном слое.

Целыо данной работы является построение и исследование модели адсорбции сложных молекул на квадратной поверхностной решётке с возможностью различной их ориентации в адсорбционном слое. Моделирование проводилось с помощью метода трансфер-матрицы и метода Монте-Карло.

В рамках предложенной модели, как и в рамках моделей, подобных этой, может быть описана многоцентровая адсорбция циклических молекул типа бензола, толуола, ксилолов, циклогексана, метилцикло-пентана и др., которые представляют большой ин-терес с точки зрения химической технологии, нефте-■ переработки, и нефгехимии в частости. В настоящее

время изучение таких систем необходимо для развития перспективных технологий гетерогенного ферментативного катализа, тонкого органического синтеза и фармацевтики. Исследования в данной области также могут быть полезны в сфере нанотехнологий и микроэлектроники.

Модель и метод

Для описания адсорбции сложных молекул на гомогенный субстрат будем использовать обобщённую модель решёточного газа (МРГ) [25,26]. В качестве модели поверхности субстрата будем рассматривать двумерную квадратную решётку. Координационное число решётки равно А. Наиболее простой формой нелинейной молекулы, которая может по-разному ориентироваться в адсорбционном слое на квадратной решётке, является четырёхугольная пирамида. Молекулы такой формы могут адсорбироваться двумя различными способами (рис. 1):

1) адсорбированная молекула занимает один активный центр (адсорбция на вершину);

2) адсорбированная молекула занимает четыре активных центра (адсорбция на грань).

Во втором способе молекула адсорбата рассматривается как двумерный массив (2x2) из четырёх одинаковых сегментов, соединённых между собой связями фиксированной длины, равной постоянной решётки а. В модели не учитывались высокочастотные колебания длины связи в молекуле адсорбата, поэтому длина связи между сегментами остаётся постоянной в течение всего эксперимента.

Для учета собственного размера, сложной формы, архитектуры и химической структуры адсорбированной молекулы вводятся бесконечно сильные отталкивания между соседними част ицами (запрещается адсорбция на ближайшие активные центры вокруг каждой молекулы адсорбата) (рис. 2).

Рис. 1. Дпа вида адсорбции молекулы на поверхности

Рис. 2. Ближайшие активные центры адсорбированной молекулы.

Черные кружки означают активный центр, занятый молекулой адсорбата, светлые — активные центры, запрещенные для адсорбции вследствие бесконечно сильных огталкивательных взаимодействий

Таким образом, параметрами модели являются: ц — химический потенциал адсорбированных молекул, Г — абсолютная температура в градусах Кельвина, Д — разница между теплотами адсорбции молекул, адсорбированных на грань и на вершину.

Для описания системы из адсорбированных молекул на N активных центрах решётки при фиксированной температуре введем числа заполнения с1 и п|( такие, что с( равно 1, если активный центр (АЦ) занят сегментом молекулы, адсорбированной на вершину, и равно 0 в случае свободного АЦ, а п( равно 1, когда данный АЦ занят сегментом молекулы, адсорбированной на грань и равно 0 в случае свободного АЦ. Тогда гамильтониан системы имеет следующий вид:

Н

е!1

(1)

где в первом слагаемом правой части суммирование производится по всем активным центрам, занятым сегментом молекулы, адсорбированной на грань, а во втором слагаемом — по всем частицам, находящимся в системе.

Напомним два фундаментальных определения.

Определение 1. Изотермой адсорбции называется зависимость количества частиц, адсорбированных на поверхности, оглавления в газовой фазе (или химического потенциала) при постоянной температуре.

Определение 2. Степенью покрытия поверхности называется отношение количества занятых активных центров к общему количеству активных центров решётки.

Изотерма адсорбции имеет вид:

О

Фаза с (4x4)4

Фаюр{ЗхЗ)л,

_ молекула, адсорбированная иа вершину

п

__ молекула, адсорбированная

на грань

■£п'+Хс*

11 I

Зависимость степени покрытия поверхности от химического потенциала имеет вид:

Ое*а|М = 0»рМ+О,все,|Ц),

1 V1

где 0,ор(ц) = —зависимость степени покрытия

поверхности молекулами, адсорбированными на вер-

1 г-1

шину, от химического потенциала, 0/всс1(\х)=—2_,п> —

зависимость степени покрытия поверхности молекулами, адсорбированными иа грань, от химического потенциала.

Метод трансфер-матрицы

Для построенной нами модели вычисление изотерм или степени покрытия как функций оглавления в газовой фазе (химического потенциала) достаточно сложная задача. Как известно, не существует двумерной модели многоцентровой адсорбции, допускающей аналитическое решение. Одним из методов, примененным при численном моделировании, был метод трансфер-матрицы 118-20]. Трансфер-матрица строится для полосы, вырезанной из квадратной решетки шириной Л1 узлов в одном направлении (по этому направлению вводятся циклические граничные условия) и бесконечной в другом ортогональном направлении. Д\я нашей модели состояние поверхности в целом может быть описано как набор состояний узлов решетки, каждый из которых может находиться в шести состояниях. Заметим, что локальные харак-

Ф&зз С(2х2)

Рис. 3. Возможные структуры адсорбционного слоя

теристики, такие, как изотермы, зависят от ближнего порядка и не зависят от наличия или отсутствия дальнего порядка. Следовательно, использование относительно малых значений параметра М дают практически точные результаты. Вычисления проводились при М = 12. Выбор значения М = 12 объясняется тем, что это наименьшее значение ширины полосы, совместимое со всеми упорядоченными структурами, наблюдаемыми в данной модели (рис. 3).

Алгоритм моделирования методом Монте-Карло

Процесс адсорбции сложных иолиатомных молекул на квадратной поверхностной решётки был смоделирован в большом каноническом ансамбле с помощью метода Монте-Карло (МК) [27] в случае, когда ни энергия, ни плотность (степень покрытия поверхности) системы не фиксированы. Процесс химического взаимодействия адсорбирующейся частицы с активным центром поверхносги осуществляется при заданном значении температуры и химического потенциала. В рассматриваемой модели твёрдая поверхность представляет собой двумерный массив из N=1x1 активных центров, где I—линейный размер массива. Фактически, это двумерная квадратная решётка, узлы которой соответствуют активным центрам хемосорбции. Моделирование проводилось на квадратной решётке с линейным размером £=96 с периодическими граничными условиями. С таким размером решётки конечный размер системы не оказывает значительного влияния на протекание процессов в ней.

Алгоритм выполнения одного элементарного шага в моделировании с помощью метода Монте-Карло состоит в следующем:

1. Задается значение температуры (Т = 400 К), химического потенциала (ц 6 |-70;50] кДж/моль) и теплоты адсорбции (Д £ (0; 40] кДж/моль) для системы установленного размера. Выбранные значения параметров определялись, во-первых, близостью к реальным условиям протекания адсорбционно-десорбци-онных процессов и, во-вторых, возможностью существования в системе упорядоченных структур.

2. Произвольным образом выбирается один из активных центров решетки и в зависимости от его состояния выбирается один из следующих процессов: если АЦ свободен — адсорбция, если АЦ занят — десорбция, смена ориентации молекулы в адсорбционном слое, либо поворот молекулы относительно одного АЦ.

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

3. В соответствии с алгоритмом Мегрополиса [28], определяется вероятность Р выбранного процесса из следующего соотношения: Р - схр(—АЕ/НТ), где ДЕ— разница между энергиями конечного и начального состояния системы, Л — универсальная газовая постоянная. Если энергия конечного состояния ниже энергии начального состояния (ДЯ<0), то переход происходит с вероятностью, равной единице. Если же ДЕ>0, то генерируется случайное число р в диапазоне от 0 до 1; если р<Р, то переход происходит; если же р>Р. то система остаётся в прежнем состоянии.

4. Вновь выбирается один из активных центров решетки (пункт 2).

Для того чтобы избежать зависимости между размером решетки и количеством элементарных шагов, удобно воспользоваться понятием Монте-Карло шага (МКШ). МКШ — это количество элементарных шагов. равное общему количеству узлов рассматриваемой решетки. В.моделировании методом Монте-Карло понятие МКШ является эквивалентом времени. В нашей модели равновесие считалось достигнутым после первых 10* МКШ. Такое количество МКШ определялось тем, что при дальнейшем их увеличении заметных изменений состояния системы не наблюдалось. Затем, в течение следующих 105МКШ производился подсчет интересующих нас средних &3расс ®/о*а/М| ^юр(^)• ®Гасе((У1) •

2. Результаты и обсуждение

Численное моделирование проводилось с использованием МТМ и метода МК. Вычислительный экспе-

римент показал, что результаты, полученные данными методами, совпадают.

Нами были построены изотермы адсорбции и степени покрытия поверхности при различных значениях параметра Д (— 10,0, 10,20, 30 и 40 кДж/моль) и 7= 400 К.

На рис. 4 показаны изотермы адсорбции и зависимости степени покрытия поверхности от химического потенциала при Д= 30 кДж/моль. На рис. 5 показаны зависимости общей степени покрытия поверхности от химического потенциала при различных значениях параметра Д. При достаточно большом значении Д зависимость степени покрытия от химического потенциала становится немонотонной, т.е. при увеличении давления в газовой фазе количество свободных активных центров увеличивается. Это неожиданное явление объясняется совместным воздействием двух факторов: нелинейной формой молекул и возможностью их различной ориентации в адсорбционном слое. Как следовало ожидать, изотерма адсорбции монотонно возрастает, т.е. количество частиц, адсорбированных на поверхности, всегда увеличивается с ростом внешнего давления.

Заметим, что в системах с одноцентровой адсорбцией кривая степени покрытия поверхности и изотерма адсорбции тождественны. Д\я многоцентровой адсорбции при единственной возможной ориентации эти зависимости прямо пропорциональны друглругу-В случае многоцентровой адсорбции линейных молекул с различной ориентацией в адсорбционном слое прямая пропорциональность уже не имеет места, но обе кривые по-прежнему монотонны. Для исследуемой модели адсорбции нелинейных молекулданные

•0.1

Химический потенциал

— - Степень покрытия

молекулами, адсорбированными иа вершину

-- — Степень покрытия молекулами, адсорбированными из грань

— — Общая степень

покрытия поверхности

Изотерма адсорбции

Рис. 4. Кривые зависимости степени покрыти поверхности от химического потенциала и изотерма адсорбции

О.л

0.3

0.2

0.1

Хммичссгий «ютекциэл

Рис. 5. Влияние величины теплоты адсорбции на характер зависимости степени покрытия поверхности от химического потенциала

кривые не только не пропорциональны друг другу, но одна из них (зависимость степени заполнения) становится немонотонной.

Анализ полученных результатов показывает, что эффект немонотонного изменения степени покрытия связан с последовательным образованием на поверхности особых фаз (рис. 3), одна из которых (а именно фаза р(ЗхЗ)ч.,) нехарактерна для систем с од-ноцентровой адсорбцией и систем с многоцентровой адсорбцией линейных молекул. Обозначения фаз введены авторами для удобства изложения, исходя из общих принципов обозначения соизмеримых структур.

Из рис. 5 видно, что фаза, обусловливающая немонотонность изменения функции степени покры тия (фаза р(3 х 3)ч,), образуется лишь в случае достаточно высокой величины теплоты адсорбции (30, 40 кДж/ моль). Ясно, что с уменьшением энергии взаимодействия адсорбирующейся молекулы с активными центрами поверхности процесс адсорбции молекулы на грань будет всё менее и менее вероятным, в особенности с повышением давления в газовой фазе. Поэтому при низких значениях Д (напр., при Д= 10 кДж/ моль) фазар(ЗхЗ)4-1 не образуется, так как в области невысоких давлений (в области малых значений химического потенциала) адсорбция молекулы на грань определяется лишь величиной теплоты адсорбции. С формальной точки зрения, чем выше теплота адсорбции, тем больше её вклад в величину полной энергии системы, которая в свою очередь определяет вероятность нахождения системы в данном состоянии.

Выводы

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. Построена и изучена решёточная модель адсорбции сложных молекул с возможностью различной их ориентации в адсорбционном слое. Показана возможность немонотонной зависимост и степени покрытия поверхности от давления (при увеличении давления число свободных активных центров поверхности может возрастать), что, в свою очередь, может оказать заметное влияние на кинетику гетерогеннокаталитических реакций.

2. В определённой области значений химического потенциала показано существование фазы р(ЗхЗ)ч, шахматного типа. Установлено, что причиной существования данной фазы является нелинейная форма одного из активированных комплексов адсорбции и различная ориентация молекул адсорбата на поверхности.

3. Показано, ч то немонотонное изменение степени покрытия связано с существованием фазы р(ЗхЗ),.,. Установлено, что существование дайной фазы зависит от величины разности теплот адсорбции различных конфигураций молекулы адсорбата на поверхности адсорбента.

Библиографический список

1. Зенгуил, Э. Физика поверхности: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990.- 536с.

2. Моррсон, С. Химическая физика поверхности твердого тела: Пер. с англ. - М.: Мир, 1980. - -188 с.

3. Binder К.. Landau D.P. Square lattice gases with two-and three-body interactions: a model for the adsorption of hydrogen on Pd( 100)//Surface Sci. - 1981. - V. 108. - №3 - P. 505-525,

4. Binder K., Kinzel W., Landau D.P, Theoretical aspects of orderdisorder transitions in adsorbed lay ere//Surface Sci. - 1982. • V.M7.-N0I -P.232-244.

5. Claro F., Kumar V. Phase diagrams for a square lattice with two-and three-body interactions //SurfaceSci. - 1982. - V.l 19. • №2-P. 371-377.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6. Rzysko W., Borywko M. Computer simulation of phase diagrams of trimers adsorbed on a square lattice. //Phys. Rev. B. -2003. - V.67. - P. 045403(1-9).

7. Flory P J. Thermodynamics of high-polymer solutions // J. Chem. Phys. - 1942. - V.10. - P. 51-61.

8. Ramirez-Pastor A.J., Riccardo J.L., Pereyra V.D. Monte Carlo study of dimer adsorption at monolayer on square lattices // Surf. Sci. - 1998. - V.411. - P. 294 -302.

9. Borywko М., R|ysko W. Critical Behavior of Dimers in Monolayers Adsorbed on Heterogeneous Solid Surfaces //J. Colloid Interface Sci. - 2001. - V.244. - P. 1-8.

10. Roma F.. Ramirez-Pastor A.J.. Riccardo J.L. Multlsite occupancy adsorption: comparative study of new different analytical approaches// Langmuir — 2003. — V.19.- P.6770-6777,

11. Roma F.. Riccardo J.L., Ramirez-Pastor A.J. Semiempm-cal Model for Adsorption of Polyatomics // Langmuir - 2006. -V.22.-P. 3192-3197.

12. Roma F., Riccardo J.L. Ramirez-PastorA.J. Application of the Fractional Statistical Theory of Adsorption (FSTA) to Adsorption of Linear and Flexible k-mers on Two-Dimensional Surfaces // Ind. Eng. Chem Res. - 2006. - V.45. • P. 2046-2053.

13. Жданов, В.Г1. Элементарные физико-химические процессы на поверхности. — Новосибирск: Наука. - 1988. - 296с.

14. Rudzinski W., Everett D.H. Adsorption of Gases on I letero-geneous Surfaces. - New York: Academic Press. - 1992.

15. Roma F., Ramirez-Pastor A.J.. Rlcccardo J.L. Critical behavior of repulsive linear A-mers on square lattices at half coverage: Theory and Monte Carlo simulations. //Phys. Rev. B. — 2003. — v.68. - P. 205407(1-9).

16. Engel W., Coubln L., Panizza P. Adsorption of asymmetric rigid rods or heteronuclear diatomic molecules on homogeneous surfaces. //Phys. Rev. B. - 2004. - v.70. - P. 165407| I - 11).

17. Мышлявцев А.В., Мышлявцева М.Д. Изотермы адсорбции гетероядерных двухатомных полярных молекул на однородных поверхностях: метод трансфер-матрицы. // Омский научный вестник. - 2006. • No 2(35}. — С. 64-68.

18. Myshlyavtsev A.V.. Zhdanov V.P. The effect of nearest-neighbour and next-nearest-neighbour lateral interactions on thermal desorption spectra //Chem, Phys. Lett. — 1989. - v. 162, N® 1.2. — P. 43-46.

19. Мышлявцев A.B., Мышлявцева M,Д. Вычислительные аспекты метода трансфер-матрицы. - Кызыл: ТувИКОПР СО РАН. - 2000. - 101с.

20. Быков В.И.. Мышлявцев А.В.. Слинько М.Г. Применение метода трансфер-матрицы для описания процессов на поверхности катализатора //Доклады Академии наук. - 2002. - т. 384, Np5. - С. 650-654.

21. Yamagishl S., Jenkins S.J., King D.A. Symmetry and site selectivity in molecular chemisorption: Benzene on Ni(l 11) // J. Chem. Phys. - 2001. - V.l 14. - N913. • P. 5765-5773.

22. Johnson K.. Sauerhammer B., Titmuss S„ King D.A. Benzene adsorption on lr( 100) studied by low-energy electron diffraction I -V analysis: Evidence for formation of tilted benzene // J. Chem. Phys. - 2001. - V. 114. - N?21. - P. 9539-9548

23. Roth M.W., Pint C.L.. Phase transitions in hexane monolayers physisorbed onto graphite // Phys. Rew. В - 2005. - V.71. - P, 155427.

24. Yokoyama 'Г., Yokoyama S.. KamlkadoТ., Mashlko S. Non-planar adsorption and orientational ordering of porphyrin molecules on Au( 111) // J. Chem. Phys. - 2001. - V. 115. - Ns8. - P. 3814-3818.

25. Бэкстер. P. Точно решаемые модели в статистической механике - М.: Мир, 1985 - 486с.

26. Шулепов Ю.В., Аксененко Е.В. Решеточный газ. - Киев: Наукова думка. - 1981. - 267 с.

27. Биндер, К. Методы Монте Карло в статистической физике - М.: Мир, 1982 - 398 с.

28. Metropolis N.. Rosenbluth A.W., Rosenbluth M.N.. Teller

A.W., Teller E, Equation of state calculations by fast computing machines//J.Chem.Phys. - 1953. - V.2I.-P. 1087.

ГОРБУНОВ Виталий Алексеевич, аспирант кафедры «Химическая технология переработки углеводородов» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

МЫШЛЯВЦЕВ Александр Владимирович, доктор химических наук, профессор кафедры «Химическая технология переработки углеводородов», проректор по учебной работе ОмГТУ, ведущий научный сотруд-

ник Институга переработки углеводородов СО РАН. МЫШЛЯВЦЕВА Марта Доржукаевна, кандидат физико-математических наук, докторант кафедры «Высшая математика» ОмГТУ.

ФЕФЕЛОВ Василий Федорович, аспирант кафедры «Химическая технология переработки углеводородов» ОмГТУ.

Статья поступила в редакцию 18.07.07 г.

© В. А. Горбунов, Л. В. Мышлявцев, М. Д. Мышлявцева,

В. Ф. Фефелой

УДК 541.124/128 л. В. БРИЖАНСКИЙ

Ю. А. БРИЖАНСКДЯ А. В. МЫШЛЯВЦЕВ М. Д. МЫШЛЯВЦЕВА

Омский государственный технический университет

Институт проблем переработки углеводородов СО РАН

КИНЕТИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ СРЕДНЕГО ПОЛЯ И ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ РЕАКЦИИ, ПРОТЕКАЮЩЕЙ ПО МЕХАНИЗМУ ЛЕНГ МЮРА-ХИНШЕЛЬВУДА,

С УЧЕТОМ ЛАТЕРАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ:

СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Исследована имитационная модель реакции, протекающей по механизму Ленг-мюра-Хиншельвуда, в предположении бесконечной подвижности частиц. Моделирование проводилось методом Монте-Карло. Изучено влияние латеральных взаимодействий между адсорбированными частицами на множественность стационарных состояний. Проведено сравнение с результатами, полученными при исследовании модели реакции в виде кинетических уравнений среднего поля. Показано, что результаты, полученные различными методами, качественно совпадают.

Введение

Критические явления (множественность стационарных состояний, автоколебания скорости реакции, динамический хаос и т. д.) в гетерогенно-каталитических системах были обнаружены в начале 70-х годов XX века (1 — 3) и привлекаю т внимание исследователей по настоящее время. Простейшим примером таких систем может служить реакция окисления СО на поверхности металлов платиновой группы (Рі, Р<і),

в первом приближении протекающая по стандартному трехсталийному адсорбционному механизму Аенгмюра-Хиншельвуда (ЛХ) [4|

^2 + 2Z<->2AZ

в+г<->вг (I)

Аг+Вг->22+ АВ.

В каталитическом механизме (1) АТ, ВТ — вещества на поверхности катализатора Ъ\ Аг В, АВ — вещества в газовой фазе. Механизм ЛХ (1) даже в слу-

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.