Вплив атомів нітрогену і бору, впроваджених в графеноподібну матрицю, на адсорбцію молекулярного водню
Journal Title: Поверхня - Year 2018, Vol 25, Issue 10
Abstract
Методами квантової хімії (ТФГ, B3LYP, 6-31G**) досліджені закономірності взаємодії молекул водню з графеноподібними площинами, в яких два атоми Карбону заміщені атомами Нітрогену, чи Бору. Для врахування дисперсійних внесків в енергію утворення міжмолекулярних комплексів, які виникають при формуванні адсорбційних супрамолекулярних структур, задіяна дисперсійна поправка Грімме – D3. Для дослідження впливу розміру графеноподібного кластера на енергетику хемосорбції молекулярного водню за моделі наночастинок графена взято поліароматичні молекули (ПАМ) пірену, коронену (Кор) та ту, що складається з 54 атомів Карбону, а також їх азот- та борвмісні аналоги, в яких атоми Нітрогену і Бору розміщені в пара-положенні один відносно одного, в так званій піперазиновій конфігурації атомів Нітрогену або Бору. Рівноважні просторові структури молекул реагентів, утворених комплексів з фізичною і хімічною адсорбцією молекули Н2, та продуктів дисоціативної хемосорбції знайдено мінімізацією норми градієнту повної енергії. Важливою стадією перетворення фізично сорбованої молекули Н2 на поверхні переважної більшості вуглецевих матеріалів є її розпад на два атома Гідрогену, які можуть зв’язуватися з різними атомами Карбону. При цьому утворюється значна кількість різних продуктів реакції однакового брутто-складу. Найнижчою енергією серед них має той, в якому атоми Гідрогену зв’язані з атомами Карбону, що є сусідніми до атомів Нітрогену або Бору. Встановлено, що, незалежно від розміру вуглецевої ПАМ, величина енергії хемосорбції в усіх випадках має позитивне значення і є більшою 100 кДж/моль. Енергії хемосорбції молекули водню під дією ПАМ, яка містить гетероатоми, залежить від розміру молекули, положення атомів Нітрогену або Бору і, здебільшого, має незначні від’ємні значення (до -35 кДж/моль), що свідчить про самочинність відповідного процесу. Розрахунки показали, що найменша енергія активації реакції молекули Н2 має місце з борвмісною ПАМ, а найбільша – для чистих вуглецевих ПАМ, незалежно від розміру моделей. Природа гетероатома змінює будову перехідного стану і механізм хемосорбції. Аналіз результатів квантовохімічних розрахунків засвідчив про найвищу екзотермічність дисоціативної адсорбції молекули Н2 на борвмісних графеноподібних молекулах. Для азотвмісних ПАМ екзотермічність згаданої реакції дещо нижча, для яких також показана можливість десорбції атомарного водню з поверхні останніх з подальшою рекомбінацією в газовій фазі. В той же час, для моделей чистого графеноподібного шару отримані дані свідчать про неможливість хемосорбції молекулярного водню. Без повного аналізу результатів відносно всіх можливих розміщень пари атомів Гідрогену (утворених при дисоціації молекули Н2) при їх зв’язуванні азотовмісними поліароматичними молекулами можна зазначити, що дисоціативна хемосорбція молекули Н2, незалежно від природи гетероатома в складі ПАМ, термодинамічно більш ймовірніша на периферії модельних молекул, ніж в їх центрі.
Authors and Affiliations
E. M. Demyanenko, V. V. Lobanov, A. G. Grebenyuk, O. S. Karpenko, M. T. Kartel
Keywords
Related Articles
- EP ID EP463552
- DOI 10.15407/Surface.2018.10.019
- Views 115
- Downloads 0
Нанокомпозитные системы на основе кремнеземов для проращивания некоторых типов овощных культур
Кремнеземы и композитные системы, созданные на их основе, способны оказывать положительное влияние на энергию прорастания и всхожесть семян овощей. Однако для томатов величина эффекта зависит от вида и гибрида. Самым эфф...
Взаємодія магніточутливих наноматеріалів і нанокомпозитів з клітинами, вірусами, біоактивними молекулами, іонами важких металів
Наведено огляд наукових робіт, виконаних у минуле десятиліття, що стосуються розробок, дослідження властивостей, експлуатаційних параметрів, напрямів практичного використання магніточутливих наноматеріалів та нанокомпоз...
Квантовохимическое моделирование взаимодействия атомарного хлора с поверхностью кварца
Методом теории функционала электронной плотности (B3LYP/6-31G(d,p)) исследовано температурную зависимость свободной энергии Гиббса взаимодействия кварца с молекулами хлора в основном и возбужденном состояниях, а также с...
Механічні властивості поліепоксидних композитів з окисненим графеном та їх хімічна стійкість
Досліджені полімерні композитні матеріали на основі епоксидної смоли, наповненої окисненим графеном у вигляді блоків з мікрометровою базисною поверхнею та нанометровою товщиною при концентрації наповнення 1, 2 та 5 мас....
A quantum chemical analysis of dependence of the protolytic properties of silica primary particles on their composition and spatial structure
High disperse silica is used as a sorbent and carrier of medical preparations in various branches of medicine, biotechnology etc. due to its physico-chemical properties, in particular, rather developed surface, chemical...