Введение к работе
Актуальность проблемы. Поверхностные явления играют одну из важнейших ролей как в процессах, протекающих в природной среде, так и в современных промышленных технологиях, среди которых в первую очередь следует выделить такую крупную сферу применения поверхностных взаимодействий, как гетерогенный катализ. Вследствие этого, пристальный интерес многочисленных исследователей к вопросам, связанным с протеканием поверхностных процессов, наблюдающийся в последние десятилетия, имеет вполне закономерный характер.
Настоящая работа посвящена, развитию методов имитационного моделирования явлений на поверхности, основанного на прямом описании структуры исследуемой системы, включающем поведение отдельных молекул, находящихся в адсорбированном состоянии на поверхности твердого тела, а также в газовой фазе, имеющей доступ к поверхности. Этот подход базируется на физической модели решеточного газа, в которой используется метод статистических испытаний (метод Монте-Карло), и является, пожалуй, наиболее эффективным инструментом для описания пространственно-временной динамики поведения адсорбционного слоя на поверхности твердого тела, структура которого может содержать разного рода неоднородности, что имеет место в реально наблюдаемых системах.
Цель работы. Основными целями данной работы явились разработка способов модельного представления произвольных кристаллических решеток и многослойного покрытия поверхности, способов оценки влияния эффекта экранирования, построение формальной концепции и единого алгоритма имитационного моделирования поверхностных процессов, пригодного для воссоздания большинства реальных явлений на поверхности, а также компьютерная реализация этого алгоритма.
Нами также была поставлена задача разработать методологию перехода от микроуровневого описания каталитической системы в виде свода формальных правил, управляющих поведением адсорбированных на поверхности молекул, к макроскопическому описанию, в котором поведение системы представлялось бы в аналитическом виде.
Научная новизна. Построена единая методология имитационного моделирования поверхностных явлений, проведено моделирование методом Монте-Карло процесса отравления твердотельного катализатора, разработаны способы модельного представления кристаллической решетки катализатора произвольного типа в виде последовательности матриц или связанных списков. Также были созданы два метода имитационного моделирования многослойной адсорбции, подробно исследована область автоколебаний в моделируемой реакции окисления монооксида углерода кислородом на поверхности платины и предложен способ перехода между уровнями описания модели, основанный на применении нейронных сетей.
Практическая ценность. Развитые методы и средства использованы при построении ряда конкретных моделей, среди которых одно- и двуцентровая адсорбция на энергетически неоднородной поверхности, термодесорбция с учетом латеральных взаимодействий и энергетического рельефа поверхности, процесс отравления катализатора в простой каталитической реакции, автоколебания концентраций реагирующих веществ и скорости реакции при окислении монооксида углерода кислородом на поверхности платины и др. Они также могут быть применены для проектирования систем молекулярной электроники, для интерпретации экспериментальных данных, а также при качественной оценке поведения химических реакторов гетерогенного катализа.
Положения, выносимые на защиту.
Универсальный алгоритм модельной реализации кристаллической решетки катализатора, основанный на представлении об этой решетке, как о системе взаимосвязанных объектов.
Методика приближенной оценки коэффициентов взаимного экранирования частиц в адсорбционном слое, основанный на таких допущениях, как сферичность экранирующего поля частицы, падение напряженности поля, пропорциональное квадрату расстояния от частицы и двумерное расположение молекул в адсорбционном слое.
Метод высот и метод полных решеток для построения модели многослойной адсорбции.
Закономерности изменения характера автоколебаний в моделируемой реакции окисления монооксида углерода кислородом на поверхности платины.
Влияние латеральных взаимодействий и энергетического рельефа на форму изотермы адсорбции и термодесорбционной кривой. Явление поверхностного фазового перехода, вызванное образованием энергетически устойчивых структур при некоторой степени покрытия поверхности адсорбатом.
Имитационная модель отравления катализатора. Зависимости скорости отравления и замедления скорости основной химической реакции от количества адсорбционных центров катализатора, блокируемых одной молекулой каталитического яда. Эффект сдвига равновесия между покрытиями поверхности молекулами реагирующих веществ, связанный с присутствием яда.
Метод математического моделирования поверхностных процессов основанный на использовании нейронных сетей, позволяющие осуществлять переход от описания элементарных процессов в системе і описанию системы в целом.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит и: введения, трех глав, заключения (содержащего выводы диссертационно! работы), списка цитируемой литературы и двух приложений. Объем работі составляют 132 страницы, включающих 34 рисунка, 1 таблицу и библиографии из 10 наименований.