АДСОРБЦИЯ ВОДОРОДА НА ФРАКТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Выведено общее выражение для потенциала дисперсионного взаимодействия Ван-дер-Ваальса нейтрального атома со структурой, характеризующейсядробной фрактальной размерностью. Получено выражение для частоты столкновений атомов водорода в квантовом (квазиклассическом) приближении с поверхностью с произвольной фрактальной размерностью структуры. При рассмотрении общего уравнения адсорбции с учетом фрактальной размерности поверхности адсорбентабыло показано, что эта величина определяет показатель степени в эмпирическом уравнении изотермы адсорбции Фрейндлиха.

ADSORPTION OF HYDROGEN ON FRACTAL SURFACES

Solid-state fractal structures, or aggregates have fractional metric dimension values and have the property of self-similarity over multiple spatial scales. Such structures are formed in nonequilibrium conditions. Porous silicon, for instance, has a distinct fractal structure. Such structures are always observed in the analysis of experimental data. Our study is focused on the dispersive interaction between a neutral atom and a substance with a fractal structure. We present a general analytical formula for the interaction potential that is defined as fractional power function of the distance. The paper demonstrates that the exponent of the potential depends on the volume fractal dimension. The scattering cross-section and the collision frequency of hydrogen atoms with the fractal manifold were calculated in the quantum (quasiclassical) approximation with arbitrary value of the fractal dimension. Considering three conditions - that the adsorption rate is equal to the desorption rate, the adsorption rate is determined by the frequency of collisions and effective surface area, and the desorption rate is proportional to the occupied surface area - we propose an isotherm equation for hydrogen adsorption on fractal surfaces. This equation is similar to the Freundlich equation. When the surface is smooth, the proposed equation yields the Langmuir adsorption isotherm. When the pressure is low, the equation yields the Freundlich adsorption isotherm, with the exponent depending on the fractal dimension of the surface. When the pressure is low and the surface is smooth, the equation yields Henry’s adsorption isotherm. Thus, the paper demonstrates that the exponent in the Freundlich empirical equation is determined by the fractal dimension of the surface. According to the experimental data, the exponent in Freundlich adsorption isotherm is also a temperature-dependent value. This means that possible alterations in the surface fractal dimension, caused by temperature changes, can be identified as the second order phase transition on the surface of the material. Such transitions always come before structural transformations in volume and can occur even when there are no phase transformations in the bulk.

Авторы
Рехвиашвили С.Ш.1 , Мурга З.В. 2
Издательство
Воронежский государственный университет
Номер выпуска
4
Язык
Русский
Страницы
561-566
Статус
Опубликовано
Том
19
Год
2017
Организации
  • 1 Институт прикладной математики и автоматизации КБНЦ РАН
  • 2 Российский университет дружбы народов
Ключевые слова
Surface fractal dimension; potential of dispersion interactions; hydrogen adsorption; Freundlich equation; фрактальная размерность поверхности; потенциал дисперсионного взаимодействия; адсорбция атомов водорода; уравнение Фрейндлиха
Дата создания
10.07.2024
Дата изменения
10.07.2024
Постоянная ссылка
https://repository.rudn.ru/ru/records/article/record/146634/
Поделиться

Другие записи

Федоров М.В.
Вестник Московского университета. Серия 11: Право. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова". 2017. С. 95-101