Хімія, фізика та технологія поверхні, 2021, 12 (2), 81-89.

Вплив розмірів та зарядового стану кластерів кремнезему на інтегральні характеристики



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp12.02.081

V. M. Gun’ko

Анотація


Розміри модельних твердих частинок та використані методи квантової хімії можуть впливати на результати розрахунків методами теорії функціоналу густини (ТФГ). Для того, щоб проаналізувати ефекти розмірів кластерів кремнезему, кількості сорбованих молекул води, протонування та депротонування силанольних груп, сорбції катіона Ейджена, окремо чи сольватованого, сорбції аніонів F- та Cl-, окремо та сольватованих, загальних сольватаційних ефектів (з SMD), було виконано ТФГ розрахунки з використанням функціоналу ωB97X-D з базисним набором cc-pVDZ. Розрахунки функцій розподілу зарядів (CDF), хімічного зсуву протонів (SDF) та інтегральної густини електронних станів (IDES) показали, що малі кластери з 8 чи 22 одиниць (SiO4/2) можуть давати менш коректні результати у порівнянні з більшими кластерами з 44 чи 88 одиниць. Це можна пояснити тим, що малі кластери кремнезему не мають достатньої можливості для делокалізації надлишкових зарядів, що призводить до додаткового викривлення електронних станів всієї системи. IDES є більш чутливими до надлишкового заряду кластерів та менш чутливими до ефектів сольватації, ніж CDF та SDF. У цілому використання кількох типів функцій розподілу, таких як CDF, SDF та IDES, дозволяє отримати більш детальну картину для явищ на межах поділу біля поверхні кремнезему для нейтральних та заряджених систем.


Ключові слова


кластери кремнезему; нейтральні сорбати; заряджені сорбати; функції розподілу атомних зарядів; DFT метод; сольватаційний метод SMD

Посилання


Iler R.K. The Chemistry of Silica. (Chichester: Wiley, 1979).

Legrand A.P. The Surface Properties of Silicas. (New York: Wiley, 1998).

Bergna H.E., Roberts W.O. Colloidal Silica: Fundamentals and Applications. (Boca Raton: CRC Press, 2006).

Adamson A.W., Gast A.P. Physical Chemistry of Surface. 6th edition. (New York: Wiley, 1997).

Tapia O., Bertrán J. (Eds.) Solvent Effects and Chemical Reactivity. (New York: Kluwer Academic Publishers, 2000).

Somasundaran P. (Ed.) Encyclopedia of Surface and Colloid Science. Third Edition. (Boca Raton: CRC Press, 2015).

Henderson M.A. Interaction of water with solid surfaces: fundamental aspects revisited. Surf. Sci. Report. 2002. 46(1–8): 1.

Birdi K.S. (Ed.) Handbook of Surface and Colloid Chemistry. Third edition. (Boca Raton: CRC Press, 2009).

Al-Abadleh H.A., Grassian V.H. Oxide surfaces as environmental interfaces. Surf. Sci. Report. 2003. 52(3–4): 63.

Gun’ko V.M., Turov V.V. Nuclear Magnetic Resonance Studies of Interfacial Phenomena. (Boca Raton: CRC Press, 2013).

Canuto S. (Ed.) Solvation Effects on Molecules and Biomolecules. Computational Methods and Applications. (Springer, Dordrecht, 2008).

Schleyer P.v.R. (Ed.) Encyclopedia of Computational Chemistry. (New York: John Wiley & Sons, 1998).

Dykstra C.E., Frenking G., Kim K.S., Scuseria G.E. (Eds.) Theory and Applications of Computational Chemistry, the First Forty Years. (Amsterdam: Elsevier, 2005).

Cramer C.J. Essentials of computational chemistry: theories and models. Second edition. (Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd, 2008).

Helgaker T., Jorgensen P., Olsen J. Molecular Electronic Structure Theory. (New York: John Wiley & Sons, 2014).

Martin R.M., Reining L., Ceperley D.M. Interacting Electrons: Theory and Computational Approaches. (UK: Cambridge University Press, 2016).

Engel E., Dreizler R.M. Density Functional Theory: An Advanced Course. (Springer, 2013).

Yang K., Zheng J., Zhao Y., Truhlar D.G. Tests of the RPBE, revPBE, τ-HCTHhyb, ωB97X-D, and MOHLYP density functional approximations and 29 others against representative databases for diverse bond energies and barrier heights in catalysis. J. Chem. Phys. 2010. 132(16): 164117.

Becke A.D. Perspective: Fifty years of density-functional theory in chemical physics. J. Chem. Phys. 2014. 140(18): 18A301.

Marenich A.V., Cramer C.J., Truhlar D.G. Universal solvation model based on solute electron density and on a continuum model of the solvent defined by the bulk dielectric constant and atomic surface tensions. J. Phys. Chem. B. 2009. 113(18): 6378.

Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B. et al. Gaussian 09, Revision D.01. (Gaussian, Inc. Wallingford CT, 2013).

Barca G., Bertoni C., Carrington L., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Mennucci B., Petersson G.A., Nakatsuji H., Caricato M., Li X., Hratchian H.P., Izmaylov A.F., Bloino J., Zheng G., Sonnenberg J.L., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Montgomery J.A., Peralta J.E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J.J., Brothers E., Kudin K.N., Staroverov V.N., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Rega N., Millam J.M., Klene M., Knox, J.B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R.E. Stratmann, O. Yazyev, A.J. Austin, R. Cammi J.E., Pomelli C., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Zakrzewski V.G., Voth G.A., Salvador P., Dannenberg J.J., Dapprich S., Daniels A.D., Farkas Ö., Foresman J.B., Ortiz J.V., Cioslowski J., Fox D.J. Recent developments in the general atomic and molecular electronic structure system. J. Chem. Phys. 2020. 152: 154102.

Gun’ko V.M. Modeling of interfacial behavior of water and organics. J. Theor. Comput. Chem. 2013. 12(07): 1350059.

Gun’ko V.M. Interfacial phenomena: effects of confined space and structure of adsorbents on the behavior of polar and nonpolar adsorbates at low temperatures. Current Physical Chemistry. 2015. 5(2): 137.

Gun’ko V.M. Effects of methods and basis sets on calculation results using various solvation models. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2018. 9(1): 3.

Gun’ko V.M. Charge distribution functions for characterization of complex systems. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2021. 12(1): 3.

Gun’ko V.M., Turov V.V. Structure of hydrogen bonds and 1H NMR spectra of water at the interface of oxides. Langmuir. 1999. 15(19): 6405.




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp12.02.081

Copyright (©) 2021 V. M. Gun’ko

 CC By Creative Commons "Attribution" 4.0