| Περίληψη |
Η κατανόηση των στοιχειωδών αντιδράσεων SiO και Si με μικρά μόρια στην αέρια φάση είναι πολύ σημαντική στην διαλεύκανση των φυσικοχημικών διεργασιών που συμβαίνουν για την παραγωγή νέων σύνθετων πυριτιούχων υλικών και γενικότερα στην επιστήμη και τεχνολογία των υλικών. Ιδιαίτερα, η γνώση της χημικής δραστικότητας του μονοξειδίου του πυριτίου (SiO) και του ατομικού πυριτίου (Si) με μικρά μόρια που εμπεριέχουν άτομα με ασύζευκτα ηλεκτρόνια (π.χ. Ο, Ν, S), παρουσιάζει τεράστιο επιστημονικό ενδιαφέρον. Αντικειμενικός σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη των χημικών αντιδράσεων μονοξειδίου του πυριτίου (SiO) και ατομικού πυριτίου (Si) με CH3OH στην αέρια φάση, με έμφαση στην κατανόηση του χημικού μηχανισμού που οδηγεί στον σχηματισμό νέων σύνθετων στερεών επιστρωμάτων που εμπεριέχουν διάφορες σύνθετες ομάδες Si/O/H, Si/C/O/H, C/Si/H, κ.τ.λ. Η παραγωγή μονοξειδίου του πυριτίου (SiO) και ατόμων πυριτίου (Si) πραγματοποιήθηκε εστιάζοντας την δέσμη ενός laser CO2 πάνω σε στερεούς στόχους (SiO) και (Si), αντίστοιχα. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε στατικό αντιδραστήρα υπό συνθήκες κενού ή παρουσία ατμών μεθανόλης (CH3OH), δευτεριωμένης μεθανόλης (CD3OH) και αδρανούς αερίου (Ar), σε διαφορετικές συγκεντρώσεις. Τα εκτοξευόμενα θραύσματα SiO και Si της φωτοαποδόμησης αντιδρούν κατά κύριο λόγο με τα υπερκείμενα μόρια μεθανόλης και οδηγούν στον σχηματισμό πολύ δραστικών και δονητικά διεγερμένων προϊόντων, κυρίως σιλανονών, είτε σχηματίζουν διάφορα συσσωματώματα της μορφής (SiO)n, SixOy και Sin που επικάθονται στις επιφάνειες του αντιδραστήρα. Οι παραγόμενες σιλανόνες συγκρούονται κυρίως με μόρια μεθανόλης ή μεταξύ τους και υφίστανται είτε δονητική αποδιέγερση είτε αντίδραση, τα προϊόντα της οποίας είναι διάφορα διμερή της μορφής κυκλο-SiOSi και κυκλο-SiOCO τα οποία επίσης επικάθονται στις επιφάνειες του αντιδραστήρα. Η τοποθέτηση πλακιδίων KBr πλησίον και κάθετα του σημείου φωτοαποδόμησης οδηγεί στον σχηματισμό στερεών εναποθέσεων των παραπάνω διμερών προϊόντων τα οποία χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία FTIR. Τα πτητικά προϊόντα των παραπάνω πρωτογενών και δευτερογενών αντιδράσεων προσδιορίστηκαν με τις φασματοσκοπίες FTIR και μάζας. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με διαφορετικές εντάσεις της ακτινοβολίας laser και με διαφορετικούς αριθμούς παλμών Τα φάσματα υπερύθρου έδειξαν ότι τα στερεά προϊόντα εμπεριέχουν τις δονητικές συχνότητες δ(Si-CH3), ρ(Si-CH3), v(OSi-H), v(Si-OH), v(C-H), καθώς και τις βασικές δονήσεις v(SiO), v(SiOSi) και v(SiOC). Στα πειράματα με δευτεριωμένη μεθανόλη (CD3OH) προέκυψαν οι αντίστοιχες ομάδες δ(Si-CD3), ρ(Si-CD3), v(OSi-H), v(Si-OH), v(C-H). Η ανάλυση των τελικών πτητικών προϊόντων με φασματοσκοπία μάζας έδειξε ότι τα κύρια τελικά προϊόντα ήταν H2, CH4, C2H2, C2H4, CO και CO2, τα οποία προκύπτουν σχεδόν αποκλειστικά από την υπέρυθρη πολυφωτονική διάσπαση της CH3OH στην αέρια φάση. Όμως στα τελικά πτητικά προϊόντα εμπεριέχοντα επίσης σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις και οι ενώσεις (CH3)Si(OCH3)(OH)2 και κυκλο-(CH3)(OH)SiO2Si(CH3)(OH), που προκύπτουν από τη δευτερογενή αντίδραση σιλανόνης και μεθανόλης. Παράλληλα πραγματοποιήθηκαν κβαντομηχανικοί υπολογισμοί (DFT) για τον προσδιορισμό της θερμοχημείας, των δομών και των συχνοτήτων δόνησης των αντιδρώντων, ενδιαμέσων και τελικών προϊόντων των αντιδράσεων, για την πληρέστερη κατανόηση του χημικού μηχανισμού που οδηγεί στον σχηματισμό των τελικών προϊόντων. Οι υπολογισμοί έδειξαν ότι τα πιο πιθανά σταθερά προϊόντα της αντίδρασης του SiO με CH3OH είναι τα μόρια CH3Si(OH)=O, CH3OSi(H) και κ- CH2OSi(OH)H ενώ της αντίδρασης των ατόμων Si με CH3OH είναι τα μόρια CH3Si(H)=O, H2C=Si(H)OH και κ-CH2OSiH2,. Ο σχηματισμός των παραπάνω προϊόντων συμβαίνει μέσω ισχυρά εξώθερμων αντιδράσεων, που πραγματοποιούνται διαμέσου διαφόρων ενδιάμεσων μεταβατικών καταστάσεων. Από τις παραπάνω εξώθερμες πορείες μόνο εκείνες που οδηγούν στις σιλανόλες CH3Si(OH)=O και CH3OSi(H)=O είναι οι πιο πιθανές καθόσον δεν έχουν μεγάλα φράγματα ενεργοποίησης. Γενικά οι αντιδράσεις του μονοξειδίου του πυριτίου και των ατόμων πυριτίου με την μεθανόλη πραγματοποιούνται μέσω εισδοχής των μεταξύ των δεσμών CH3O-H ή CH3-OH, οδηγώντας στον σχηματισμό των αντίστοιχων σιλυλενίων CH3SiOH, CH3Si(O)OH, CH3OSiH, και CH3OSi(O)H. Ακολούθως τα σιλυλένια σταθεροποιούνται είτε με τη μετακίνηση ατομικού υδρογόνου, είτε με την κυκλοποίηση προς έναν δακτύλιο COSi ο οποίος οδηγεί στον σχηματισμό (α) CH3Si(H)=O με διάσπαση του C---O δεσμού, (β) H2C=Si(H)OH με διάσπαση του CO δεσμού και μετακίνηση του υδρογόνου από το μεθύλιο στο Ο, καθώς και (γ) κ-CH2OSiH2 με την μετακίνηση ατομικού υδρογόνου από το μεθύλιο στο πυρίτιο.
|
Μελέτη αντίδρασης μονοξειδίου του πυριτίου με μεθανόλη στην αέρια φάση
