On the mechanisms of heterogeneous recombination of nitrogen and oxygen atoms

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The problem of heterogeneous recombination of nitrogen and oxygen atoms is considered. An analysis of the processes influencing the results of measurements of the recombination probability was carried out. The work presents the authors’ data on heterogeneous recombination of atoms in the temperature range of 300–3000 K and pressures of 0.01–50 hPa (mbar). The probabilities of heterogeneous recombination of O and N atoms on the surface of quartz were measured using the method of resonance fluorescence spectroscopy (RFS) under strictly controlled conditions at temperatures of 300–1000 K and pressures of 0.01–10 hPa in IBHF reactors. The pressure and temperature regions where recombination occurs predominantly according to the Langmuir-Hinshelwood or Rydil-Ely scheme have been determined. In experiments at the VAT-104 TsAGI installation in the temperature range of 1000–3000 K and pressures of 5–50 hPa, the effective values of the rate constant of joint heterogeneous recombination Kw of nitrogen and oxygen atoms were determined using measurements of specific heat flows. Coatings with a surface layer similar in composition to quartz and a number of high-temperature ceramics based on hafnium (zirconium) borides were studied. Studies of ceramics have shown that heterogeneous recombination also occurs at temperatures of 2500–3000 K. A new mechanism of heterogeneous recombination of nitrogen and oxygen atoms is considered. Under the influence of a high-speed plasma flow, the ceramics are oxidized and a layer of hafnium (zirconium) oxide polycrystals is formed. The observed jump in temperature by ≈1000 K and heat flux up to 4–5 times is caused by the catalytic activity of the tetragonal and cubic phases of HfO2 (ZrO2) polycrystals. The high catalytic activity of the oxide layer is apparently explained by a new recombination mechanism associated with the incorporation of nitrogen and oxygen atoms into the crystal lattice (formation of a solid solution).

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. N. Kozlov

Emanuel Institute of Biochemical Physics, Rus. Ac. Sci.

Author for correspondence.
Email: kozlovse@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

B. E. Zhestkov

Central Aerohydrodynamic Institute; Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: kozlovse@yandex.ru
Russian Federation, Zhukovsky; Moscow

References

  1. O.V. Krylov, Heterogeneous Catalysis (Akademkniga, Moscow, 2004) [in Russian].
  2. V.L. Kovalev, Heterogeneous Catalytic Processes in Aerothermodynamics (Fizmatlit, Moscow, 2002) [in Russian].
  3. E.N. Aleksandrov, B.E. Zhestkov, and S.N. Kozlov // High Temp. 52, 41 (2014). https://doi.org/10.1134/S0018151X13060023.
  4. B.E. Zhestkov, S.N. Kozlov, and E.N. Alexandrov, High Temp. 57, 329 (2019). https://doi.org/10.1134/S0018151X1903019
  5. S.N. Kozlov, B.E. Zhestkov. // Russ. J. Phys. Chem. B. 16 (6) 1030 (2022). https://doi.org/10.1134/S1990793122060069
  6. N.V.Kholodkova and I.V. Kholodkov // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved., Khim. Tekhnol. 57 (2), 3 (2014).
  7. E.N. Alexandrov, I.V. Egorov, B.E. Zhestkov, S.N. Kozlov, S.V. Rusakov. Recombination of Nitrogen and Oxygen Atoms on Thermoprotective Materials // In book «Results of fundamental investigations in applied tasks of aircraft creating», M.: «Nauka» 2016. P. 150 (in Russian).
  8. B.E. Zhestkov, V.V. Shtapov // Plant laboratory. 82 (12) 58 (2016). (in Russian).
  9. B.E. Zhestkov, V.S. Teren’eva. Multifunctional coating MAI D5 intended for the protection of refractory materials // Russian metallurgy (Metally). Vol. 1. P. 33 (2010).
  10. A.N. Astapov, B.E. Zhestkov, I.P. Lifanov, V.S. Terentieva. The performance of heat-resistant heterophase silicide coatings in hypersonic air-plasma flows // International Conference on High-Speed Vehicle Science & Technology. Moskow: TsAGI, 2018. Report 2990962 pdf.
  11. A.N. Astapov, B.E. Zhestkov, Yu.S. Pogozhev, et al. The oxidation resistance of the heterophase ZrSi2-MoSi2-ZrB2 powders-derived coatings // Corrosion Science 189. P.1. (2021). https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109587
  12. Alexey N. Astapov, Boris E. Zhestkov, Ivan P. Lifanov, et al. Erosion-Resistant Enhancement of Anti-oxidation Coatings in Hypersonic Flows of Air Plasma // Arabian Journal of Science and Engineering. Dynamics, 53 (6), 762. (2019).
  13. A.V. Vaganov, B.E Zhestkov, Yu.B. Lyamin, et al. Methodology of investigation of ultrahigh temperature ceramics thermochemical stability and catalycity // ICMAR Perm: 2016, AIP Conference Proceedings 1770, 030097.
  14. E.N. Kablov, B.E. Zhestkov, D.V. Grashchenkov, O.Yu. Sorokin, Yu.E. Lebedeva, and M.L. Vaganova, High Temp. 55, 873 (2017).
  15. B.E. Zhestkov, M.L.Vaganova, Ju.E. Lebedeva, et al. // High Temperature. 56 (6), 857 (2018). https://doi.org/10.1134/S0018151X18030215
  16. A.V. Vaganov, B.E. Zhestkov, I.V. Sakharov, I.V. Senyuev, et al. Investigation technique of Nonequilibrium Heat Exchange and Catalytic Properties of High-Temperature Materials // International Conference on High-Speed Vehicle Science & Technology. Moskow: TsAGI, 2018. Report 38601093 pdf.
  17. V.I. Sakharov, I.V. Senyuev, B.E. Zhestkov. Numerical and experimental study of catalytic activity of super high-temperature ceramics // Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics. V. 20. No. 2 (2019). https://doi.org/10.33257/PhChGD.20.2.819
  18. S.N. Kozlov, E.N. Aleksandrov, B.E. Zhestkov, and M.U. Kislyuk, Russ. Chem. Bull. 36, 2272 (1987).
  19. B.E Zhestkov. // TsAGI Science J. Vol. 45. P. 781 (2014).
  20. V.E. Mosharov, V.N. Radchenko, I.V. Senyuev. Instruments and Experimental Techniques. 56 P. 491 (2013).
  21. I.V. Senyuev, TsAGI Science Journal. 48. (2), 173 (2017).
  22. B.E. Zhestkov, S.M. Pokhvalinskij, I.V. Senyuev, V.V. Shtapov. Method for determining heat flux: Invention 2752396 RU // Bull. № 21, (2021).
  23. V.A. Bashkin, I.V. Egorov, B.E. Zhestkov, V.V. Shvedchenko, High Temp. 46 (5), 705 (2008).
  24. I.V. Egorov, B.E Zhestkov, V.V. Shvedchenko, TsAGI Science Journal. 45 (1), 3 (2014). https://doi.org/10.1615/TsAGI Sci J 2014011332
  25. A.V. Vaganov, B.E. Zhestkov, I.V. Senyuev, Method for determining the catalytic activity of materials and coatings: Invention RU 2 792 255 // Bull. № 9 (2023).
  26. N.M. Kyznetsov, C.N. Kozlov // Russ. J. Phys. Chem. B. 13. (3) 464 (2019). https://doi.org/10.1134/S1990793119030072
  27. C.N. Kozlov // Russ. J. Phys. Chem. B. 14. (4) 636 (2020) https://doi.org/10.1134/S1990793120040193
  28. C.N. Kozlov, A.M. Tereza, S.P. Medvedev, // Russ. J. Phys. Chem. B. 15. (4) 659 (2021). https://doi.org/10.1134/S1990793121040205

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. a ‒ Setup for measuring the probability of heterogeneous recombination of atoms: 1 - quartz reactor with heated walls for temperatures of 300-700 K; 2 - furnace; 3 - source of resonant radiation; 4-5 - receivers of resonant radiation; 6 - microwave resonator providing gas dissociation in the quartz branch 7, 8 - pressure sensor; 9 - electronic signal processing system; 10 - computer. b ‒ another version of the setup 1 - quartz reactor with cooled walls; 2 - quartz "shirt"; 3 - sample under study; 4 - heater; 5 - microwave generator resonator; 6 - source of resonant radiation; 7 - receivers of resonant radiation; 8 - pressure sensor; 9 - electronic signal processing unit; 10 - registration system computer; 11 ‒ quartz branch of the reactor for freezing the reaction products. Point A in both figures indicates the location of registration of the atoms being studied.

Download (38KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Diagram of the VAT-104 wind tunnel: 1 - working gas flow meter, 2 - working gas flow regulator system, 3 - high-frequency induction gas heater, 4 - high-frequency generator, 5 - wind tunnel nozzle, 6 - mirror for measuring the temperature distribution of the front surface of the test sample, 7, 8 - coordinate mechanisms, 9 - optical windows, 10 - pyrometer, 11 - video camera for recording the flow mode around the model, 12 - thermal imager, 13 - heat exchanger, 14 - pressure sensor connection points, 15 - vacuum system, 16 ‒ working chamber.

Download (46KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of the probability of recombination of γ oxygen atoms on pressure at temperatures of 417–650 K in a mixture with the initial composition of 10% O2 + 90% He.

Download (24KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of the probability of recombination of γ nitrogen atoms on pressure at temperatures of 300–658 K in a mixture with an initial composition of 20% N2 + 80% He.

Download (26KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Photo of testing a ceramic sample in the VAT-104 ADT.

Download (113KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Temperature increase of the sample during heating, oxidation and formation of a highly catalytic oxide layer.

Download (54KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependence of the temperature of the ceramic sample on the pressure in the heater.

Download (42KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Dependence of the brightness temperature of the sample on the pressure in the heater during air plasma flow.

Download (43KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Dependence of the brightness temperature of the sample on the pressure in the heater during flowing nitrogen plasma.

Download (42KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».