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    氣體分子在材料表面的吸附——科研儀器定制

    2021-08-19 16:50:02

      任何材料的新鮮表面能夠不斷地吸附氣體,直到飽和為止,這種吸附現象可根據作用力的形式分為物理吸附和化學吸附。物理吸附是由范德瓦耳斯力產生,類似于氣體的液化,科研儀器定制最 低的吸附能量E稱為吸附熱(在數值上等于分子脫離表面時必須克服的位壘高度EP),一般在10kcal/mol(1kcal=4.18kJ)以下,物理吸附是可逆的,氣-固分子間不會出現電子轉移或波函數的重疊等現象。

    科研儀器定制 

      圖中所示為分子被吸附在表面上時的吸附位能曲線。曲線A的位能阱和曲線B的位能阱有一個能量位壘,用Ea表示。到達曲線A的位能阱的原子或分子可能越過這個位壘并落入曲線B的位能阱中,曲線B的位能阱有很強的束縛力,使落入其中的分子解離導致化學吸附?;瘜W吸附類似于形成化合物,有電子交換,其吸附熱較高,分子脫離表面時必須克服的位壘高度為EC,一般大于10kcal/mol,最 高可達2000kcal/mol?;瘜W吸附是不可逆的現象,在室溫下脫附過程緩慢,由于化學吸附的作用力的距離很短(0.1~0.3nm),吸附力只限于分子直徑內的范圍內,所以不可能發生多層吸附,并且只能在氣-固組合之間的固體一定位置上發生,該位置一般稱為吸附位或吸附中心。

        材料對氣體分子的吸附與解附對于超高真空獲得有著非常重要的意義。利用各種吸附劑材料,例如活性炭、硅膠、活性氧化鋁、分子篩以及鋇、鋯、鈦等活性金屬制作清潔的吸附劑泵。另一方面材料的放氣直接影響到獲得高真空、超高真空的抽氣時間。不考慮漏氣條件下,高真空和超高真空的抽氣時間主要由材料的放氣速率決定,一般材料的放氣速率呈指數衰減,使得抽氣時間也隨之呈指數延長。而將系統內的大氣抽到低真空并不需要很久的時間。

        為了研究各種材料對不同氣體的吸附作用,單位面積材料表面在單位時間內吸附的分子數稱為吸附速率,單位為個/m3·s。影響吸附速率大小的因素有下列幾種。

        ⑴.氣體分子對表面的碰撞程度。吸附速率正比于碰撞頻率,之間的關系如下式:

                         up=Γn·αp(個/m3·s)

                      Γn——碰撞頻率

                      αp——吸附成功率

                       up— —吸附速率

        ⑵.表面覆蓋率。在化學吸附中,氣體分子必須與表面分子相接觸,也就是說只有碰撞在表面的吸附空位上的分子才能實現吸附。碰撞在其它被吸附分子上,一般認為大部分返回到空間或者形成弱吸附的第二層,若吸附分子通過表面遷移,找到吸附空位形成化學吸附,亦可以停留在第二層不久,立刻脫附返回到空間。因此化學吸附隨著表面覆蓋度的增加,高吸附概率越來越小。物理吸附的吸附概率也隨著覆蓋度變化,科研儀器定制主要是吸附在表面分子上和吸附在以后各層分子上的吸附熱不同的緣故。

        ⑶.激活能?;钚曰瘜W吸附中,只有那些能量高于化學吸附激活能的分子才能被吸附。非化學活性吸附或物理吸附,不需要激活能,即分子原有能量在碰撞時能充分散失掉,否則分子仍有足夠動能飛回空間。

        ⑷.吸附成功率。上式中比例系數α為吸附成功率(對于物理吸附稱為吸附概率,對于化學吸附稱為黏附概率。)分子即使具有閾值能量,并且碰撞在吸附空位上,能否被吸附還取決于碰撞機制。當空間分子熱運動以平均動能接近固體表面時,開始收到范德瓦耳斯力吸引而落入第一個淺位阱EP之中,這是放出一部分能量形成物理吸附。如果進入到位阱EP后能再克服化學吸附的激活能Ea,解離成原子態進入深位阱EC之中,這時放出較大能量形成化學吸附。


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