Влияние атомов азота и бора, внедренных в графеноподобную матрицу, на адсорбцию молекулярного водорода
Journal Title: Поверхня - Year 2018, Vol 25, Issue 10
Abstract
Методами квантовой химии (ТФГ, B3LYP, 6-31G**) изучены закономерности взаимодействия молекулы водорода с графеноподобнимы плоскостями, в которых два атома углерода замещены атомами азота или бора. Для учета дисперсионных вкладов в энергию образования межмолекулярных комплексов, которые возникают при формирова-нии адсорбционных супрамолекулярных структур, задействована дисперсионная поправка Гримме – D3. Для исследования влияния размера графеноподибного кластера на энергетику хе-мосорбции молекулы водорода в качестве модели наночастиц графена взято полиаро-матические молекулы (ПАМ) пирена, коронена (Кор) и ПАМ, состоящую из 54 атомов углерода, а также их азот- и борсодержащие аналоги, в которых атомы азота и бора размещены в пара-положении друг относительно друга, в так называемой пиперазиновой конфигурации. Равновесные пространственные структуры молекул реагентов, образованных при физической и химической адсорбции молекулы водорода комплексов, и продуктов диссоциативной хемосорбции молекулы Н2 найдены минимизацией нормы градиента полной энергии. Важной стадией превращения физически сорбированной молекулы Н2 на поверхности подавляющего большинства углеродных материалов является ее распад на два атома водорода, которые могут связываться с различными атомами углерода модельных молекул. При этом образуется значительное количество различных продуктов реакции одинакового брутто-состава. Наиболее низкой энергией среди них обладает тот продукт, в котором атомы водорода связаны с атомами углерода, соседними с атомам азота или бора. Установлено, что, независимо от размера углеродных ПАМ, величина энергии физической сорбции во всех случаях имеет положительное значение и составляет более 100 кДж/моль, а величина энергии хемосорбции молекулы Н2 зависит от размера модели, положение атомов азота или бору и, в основном, имеет незначительные отрицательные значения (до -35 кДж/моль), что свидетельствует о самопроизвольности соответствую-щего процесса. Наименьшая энергия активации для реакции водорода с борсодержащей ПАМ, а наибольшая – для чистых углеродных ПАМ, независимо от размера моделей. Природа гетероатома меняет строение переходного состояния и механизм хемосорбции. Анализ результатов квантовохимических расчетов засвидетельствовал о наиболее высокой экзотермичности диссоциативной адсорбции молекулярного водорода на борсодержащих графеноподобних материалах. Для азотсодержащих ПАМ, экзотермичность реакции несколько ниже, в то же время, для моделей чистого графеноподобного слоя расчетные данные свидетельствуют о невозможности хемосорбции молекулярного водорода. Без полного анализа результатов относительно всех возможных размещений пары атомов водорода при их связывании атомами азотсодержащими полиароматичес-кими молекулами, можно отметить, что диссоциативная хемосорбция молекулы водорода, независимо от природы гетероатома в составе ПАМ, термодинамически более вероятна на периферии модельных молекул, чем в их центре.
Authors and Affiliations
E. M. Demyanenko, V. V. Lobanov, A. G. Grebenyuk, O. S. Karpenko, M. T. Kartel
Keywords
Related Articles
- EP ID EP463550
- DOI 10.15407/Surface.2018.10.019
- Views 148
- Downloads 0
Studying the structure of nanodiamnds and their influence on the microvispensity of rat erythrocyte membranes by the method of spin probes
Some features of the NDA structure, antioxidant properties, and the effect of NDA nanoparticles on the microviscosity of rat erythrocyte membranes were studied using the EPR method and spin probes. It is shown that when...
Influence of atoms of nitrogen and boron atoms inserted into graphene-like matrix on molecular hydrogen adsorption
The features of the interaction of hydrogen molecules with graphene-like planes in which two carbon atoms are replaced by nitrogen or boron atoms are investigated by methods of quantum chemistry (DFT, B3LYP, 6-31G**). To...
Синтез и свойства магниточувствительных полифункциональных нанокомпозитов для применения в онкологии
Приведены результаты исследований, направленных на развитие концепции создания магниточувствительных нанокомпозитов (НК) с многоуровневой иерархической наноархитектурой и функциями медико-биологических нанороботов. Синте...
Поверхнева полімерізація мономерів на поліетилентерефталатный мембрані при дії низькотемпературної плазми для обробки води
Розроблена плазмохімічна методика модифікації поверхні поліетиленте-рефтальної мембрани мономерами різної хімічної структури. Вивчено фізико-хімічні властивості модифікованих мембран. Автори продемонстрували можливість о...
Квантовохімічне моделювання взаємодії атомарного хлору з поверхнею кварцу
Методом теорії функціоналу електронної густини (B3LYP/6-31G(d,p)) досліджено температурну залежність вільної енергії Гіббса взаємодії кварцу з молекулами хлору в основному та збудженому станах, а також з атомами хлору в...