عنوان پایان‌نامه
بررسی نقش نانو پوشش های گرافنی در سینتیک اکسایش ابر گرمایی بستر فلزی نیکل با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی واکنش پذیر
- رشته تحصیلی
- شیمی فیزیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس علوم شماره ثبت: 5601;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 67209
- تاریخ دفاع
- ۲۶ بهمن ۱۳۹۳
- دانشجو
- نگار امیری
- استاد راهنما
- حسن به نژاد
- چکیده
- در پژوهش حاضر به منظور در نظر گرفتن انتقال بار بین اتم ها در بررسی سینتیک رشد اکسید فلزی در مقیاس نانو بر روی بستر فلزی و بستر فلزی پوشش داده با نانو گرافن، از میدان نیروی واکنش پذیر (ReaxFF) استفاده می شود. بدین منظور سطوح فلزی نیکل، 100)Ni) و 111)Ni) و سه نمونه ی گرافنی شامل گرافن بی نقص (PG)، دارای نقص های یکتایی (SG) و دوتایی (DG) انتخاب شدند. در ابتدا تاثیر جهت گیری کریستالوگرافی سطح و دمای سطح بر روی رفتار اکسایش ابرگرمایی سطوح نیکل مورد بررسی قرار گرفتند. شبیه سازی ها در محدوده ی دمایی از 300 K تا 900 K انجام شد. برای اندازه گیری سرعت اکسایش، تعداد اکسیژن های مصرفی و ضخامت اکسید تشکیل شده ارزیابی شد. بررسی ها نشان داد که سینتیک رشد اکسید با یک مرحله ی رشد سریع آغاز می شود و یک مرحله ی رشد آهسته در پی خواهد داشت. با مقایسه ی داده های سینتیکی بدست آمده از شبیه سازی های انجام شده روی سطوح 100)Ni) و 111)Ni) در محدوده ی دمایی مورد مطالعه، معلوم شد که با تغییر جهت گیری کریستالوگرافی سطح، تغییر چندانی در رفتار اکسایش سطوح نیکل حاصل نمی شود. همچنین این نتیجه بدست آمد که افزایش دمای سطح فرآیند رشد اکسید را تسریع می کند. جهت شناسایی ترکیب و ارزیابی ساختار لایه ی اکسید تشکیل شده در پایان شبیه سازی، تابع توزیع شعاعی و منحنی چگالی یون های اکسیژن ترسیم شد. نتایج این محاسبات ساختار بی شکل و غیر یکنواخت لایه ی اکسید نیکل تشکیل شده را تائید می کند. همچنین برهم کنش مولکول های اکسیژن ابرگرمایی و سطح 100)Ni) پوشش داده با سه نمونه ی گرافنی، در دمای 300 K مطالعه و بررسی می شود. تجزیه و تحلیل تصویر های لحظه ای از مسیر های شبیه سازی شده نشان داد که برخورد مولکول های پر انرژی اکسیژن به سطح گرافن موجب بازتابش این ذرات می شود. به بیان ساده تر نانو صفحه ی گرافن بی نقص سطح نیکل را از محیط مولکول های اکسیژن جدا می سازد. با بررسی شبیه سازی های انجام شده روی نمونه های نقص دار گرافنی این نتیجه حاصل شد که کربن های غیر اشباع صفحه ی گرافنی نقص دار، مکان های فعال برای کاتالیز فرآیند تفکیک مولکول اکسیژن به اتم های اکسیژن هستند. این اتم های اکسیژن می توانند به سطح نیکل برسند و موجب اکسایش آن شوند. کلمات کلیدی: دینامیک مولکولی، میدان نیروی واکنش پذیر، اکسایش ابرگرمایی، نیکل، پوشش های گرافن، نقص های ساختاری
- Abstract
- In current project, reactive force field (ReaxFF) with dynamic charge transfer between atoms is used to study the nanoscale oxide growth kinetics on bare and graphene-coated metal substrate. For this purpose Ni(100) and Ni(111) surfaces and three samples of graphene such as perfect crystaline graphene (PG), single vacancy graphene (SG) and double vacancy graphene (DG) were chosen. First the influences of crystallographic orientation and surface temperature on the hyperthermal oxidation behavior of nickel surfaces were studied. Simulations were performed at the temperature range of 300 K to 900 K. The number of consumed oxygens and the thickness of formed oxide film were evaluated to measure the rate of oxidation. The oxidation of the Ni surfaces shows an initial fast oxidation followed by a slow oxide growth step. By comparing the kinetic data obtained from simulations performed on Ni(100) and Ni(111) surfaces at the studied temperature range, it was found that the crystallographic orientation of surfaces do not made significant changes in the oxidation behavior of nickel. Moreover it was found that increasing the temperature of the surface accelerates the process of oxide growth. The radial distribution function and oxygen ion density profiles were plotted, to identify the composition and structure of the oxide film at the end of the simulation. The outputs of these calculations confirmed non-uniform and amorphous structure of oxide film. Furthermore the hyperthermal interaction between oxygen molecules and the Ni(100) surface coated with three samples of graphene, is studying at 300 K. Analyzing snapshots of the simulated trajectories showed that energetic collision between oxygen molecules and the surface of graphene will cause reflection of the particles. In other word perfect graphene can separate nickel surface from oxygen molecules environment. By investigating performed simulation on samples of defective graphene it was found that unsaturated carbon atoms of graphene plane are active sites to catalyze the dissociation of molecular oxygen to oxygen atoms. Then these oxygen atoms can reach the surface and cause oxidation of nickel.
