- •Классификации гетерогенных катализаторов с точки зрения электронного подхода.
- •Металлы.
- •Зонная теория.
- •Теория Полинга.
- •Выводы.
- •Механизмы некоторых реакций, катализируемых металлами.
- •Полупроводники
- •Примесная проводимость в полупроводниках.
- •Хемосорбция на полупроводниках
- •Реакции, катализируемые полупроводниковыми оксидами
Примесная проводимость в полупроводниках.
Собственная проводимость нестехиометрических оксидов низка. Введением в решетку полупроводников примесных катионов можно усиливать или уменьшать их проводимость. Рассмотрим механизм появления примесной проводимости.
Если в кристаллическую решетку NiО (полупроводника р-типа) ввести некоторое количество катионов Li+ вместо Ni2+, то это приведет (для обеспечения общей электоронейтральности кристаллической решетки) к появлению такого же количества катионов Ni3+ в решетке, т.е. к появлению дополнительных локальных акцепторных уровней и, как следствие, к повышению р-проводимости (Рис. 5.43).
Рис. 5.43. Окись никеля с примесью Li2О.
При введении некоторого количества катионов Cr3+ в решетку NiO, должно уйти равное количество положительных зарядов, что достигается переходом ионов Ni3+, отвечающих за дырочную проводимость, в Ni2+ (Рис. 5.44, сравнить с Рис.5.42,а). Это приводит к снижению р-проводимости.
Рис. 5.44. Окись никеля с примесью Cr2О3.
В полупроводниках n-типа ситуация противоположная. Рассмотрим влияние примесей на примере ZnO.
Если ввести катион Li+ в решетку ZnО вместо катиона Zn2+, то образование Zn3+ (для компенсации избыточного отрицательного заряда) невозможно, так как цинк не имеет степени окисления 3+. Компенсация заряда происходит за счет окисления имеющихся в междоузлиях решетки дефектов - Zn0 до Zn+.(Рис. 5.45, сравнить с Рис.5.41,а). А это в свою очередь приводит к уменьшению донорных локальных уровней и снижению проводимости n-оксида.
Рис. 5.45. Окись цинка с примесью Li2О.
Введение в решетку ZnO ионов трехзарядных металлов (например Al3+), наоборот, приводит к переходу соответствующего количества части катионов решетки Zn2+ в Zn+ или Zn0 (для соблюдения электронейтральности) (Рис. 5.46). При этом появляются дополнительные электроны на локальных донорных уровнях и n-проводимость увеличивается.
Рис. 5.46. Окись цинка с примесью Al2О3.
На практике для донирования полупроводников используют совсем небольшие количества примесного вещества, обычно не более 1%.
Общие принципы поведения нестехиометрических полупроводниковых оксидов приведены в Таблице 5.16, а классификация наиболее важных для катализа оксидов по их электронным свойствам приведена в Таблице 5.17.
Таблица 5.16.
Поведение нестехиометрических полупроводниковых оксидов.
|
n-тип |
р-тип |
Оксиды с атомами и ионами в междоузлиях решетки
Оксиды с вакансиями в решетке
Носитель проводимости
Добавление оксидов МI2О
Добавление оксидов МIII2О3
Адсорбция О2, N2O
Адсорбция Н2, СО |
ZnO, CdO
TiO2, ThO2, GeO2
электроны
снижение проводимости
увеличение проводимости
снижение проводимости
увеличение проводимости |
UO2
Cu2O, NiO, FeO
дырки
увеличение проводимости
снижение проводимости
увеличение проводимости
снижение проводимости |
Таблица 5.17.
Классификация оксидов металлов по их электропроводным свойствам.
n-Тип |
р-Тип |
i-Тип |
Изоляторы |
Оксиды элементов основных групп таблицы Менделеева |
|||
ZnО, GeO2, CdO, HgO, SnO2, As2O5, Sb2O5, PbO2, Bi2O5; (Al2O3 при высоких температурах) |
|
|
BeO, B2O3, MgO, Al2O3, SiO2, P2O5, CaO, SrO, BaO |
Оксиды переходных металлов |
|||
Sc2O3, TiO2, V2O5, Fe2O3, ZrO2, Nb2O5, MoO3, Ta2O5, HfO2, WO3, UO3 |
NiO, Cr2O3, MnO, FeO, CoO, Cu2O, Ag2O, PtO, UO2 |
Fe3O4, Co3O4, CuO |
|