Хімія, фізика та технологія поверхні, 2021, 12 (2), 112-123.

Сорбція молекулярного водню на графеноподібній матриці, легованій атомами N- і B-



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp12.02.112

M. T. Kartel, V. V. Lobanov, E. M. Demyanenko, Wang Bo, A. G. Grebenyuk, O. S. Karpenko

Анотація


Закономірності взаємодії молекул водню з графеноподібними площинами, в яких два атоми вуглецю заміщені атомами азоту або бору, вивчено методами квантової хімії (ТФГ, B3LYP, 6-31G**). Для врахування дисперсійних внесків в енергію утворення міжмолекулярних комплексів, що виникають під час формування адсорбційних супрамолекулярних структур, використовується дисперсійна поправка Грімме - D3. Для вивчення впливу розміру графеноподібного кластера на енергію молекулярної хемосорбції водню, використано поліароматичні молекули (ПАМ) пірену, коронену та молекула, що складається з 54 атомів вуглецю, а також їхні азот- і борвмісні аналоги, атоми N і B розміщуються в пара-положенні один до одного, у так званій конфігурації піперазину.

Введення гетероатома змінює структуру перехідного стану та механізм хемосорбції. Аналіз результатів квантово-хімічних розрахунків показав найвищу екзотермічну дисоціативну адсорбцію молекули Н2 на               В-вмісних графеноподібних молекулах. Для N-вмісних ПАМ екзотермічність згаданої реакції дещо нижча, для них також показана можливість десорбції атомарного водню з їхніх поверхонь з подальшою рекомбінацією в газовій фазі. У той же час для моделей чистого графеноподібного шару одержані дані вказують на неможливість хемосорбції молекулярного водню. Без повного аналізу результатів для всіх можливих місць розташування пари атомів водню (утворених завдяки дисоціації молекули Н2), коли вони пов’язані азотовмісними поліароматичними молекулами, можна зазначити, що дисоціативна хемосорбція молекули Н2, незалежно від природи гетероатома в PAM, є термодинамічно більш вірогідною на периферії модельних молекул, ніж у їхньому центрі.


Ключові слова


молекулярний водень; графеноподібна матриця; сорбція; допування атомами N та B; метод теорії функціоналу густини; дисперсійна поправка Grimme

Посилання


Niaz S., Manzoor T., Pandith A.H. Hydrogen Storage: Materials, Methods and Perspectives. Renewable Sustainable Energy Rev. 2015. 50: 457.

Uyar T.S., Beşikci D. Integration of hydrogen energy systems into renewable energy systems for better design of 100 % renewable energy communities. Int. J. Hydrogen Energy. 2017. 42(4): 2453.

Qi J., Zhang W., Cao R. Solar-to-Hydrogen Energy Conversion Based on Water Splitting. Adv. Energy Mater. 2018. 8(5): 1701620.

Ross D.K. Hydrogen storage: The major technological barrier to the development of hydrogen fuel cell cars. Vacuum. 2006. 80(10): 1084.

Nagar R., Vinayan B.P., Samantaray S.S., Ramaprabhu S. Recent advances in hydrogen storage using catalytically and chemically modified graphene nanocomposites. J. Mater. Chem. A. 2017. 5: 22897.

Rajaura R.S., Srivastava S., Sharma P.K., Mathur Sh., Shrivastava R., Sharma S.S., Vijay Y.K. Structural and surface modification of carbon nanotubes for enhanced hydrogen storage density. Nano-Structures & Nano-Objects. 2018. 14: 57.

Arjunan A., Viswanathan B., Nandhakumar V. Nitrogen-incorporated carbon nanotube derived from polystyrene and polypyrrole as hydrogen storage material. Int. J. Hydrogen Energy. 2018. 43(10): 5077.

Chambers A., Park C., Baker R.T.K., Rodriguez N.M. Hydrogen Storage in Graphite Nanofibers. J. Phys. Chem. B. 1998. 102(22): 4253.

Murata K.K., Kaneko K., Kanoh H., Kasuya D., Takahashi K., Kokai F., Yudasaka M., Iijima S. Adsorption mechanism of supercritical hydrogen in internal and interstitial nanospaces of single-wall carbon nanohorn assembly. J. Phys. Chem. B. 2002. 106(43): 1132.

Gayathri V., Geetha R. Hydrogen adsorption in defected carbon nanotubes. Adsorption. 2007. 13: 53.

Dillon A.C., Jones K.M., Bekkedalh T.A., Kiang C.-H. Storage of hydrogen in single-walled carbon nanotubes. Nature. 1997. 386(6623): 377.

McKay H., Wales D.J., Jenkins S.J., Verges J.A., de Andres P.L. Hydrogen on graphene under stress: Molecular dissociation and gap opening. Phys. Rev. B. 2010. 81: 075425.

Lee H., Ihm J., Cohen M.L., Louie S.G. Calcium-decorated graphene-based nanostructures for hydrogen storage. Nano Lett. 2010. 10(3): 793.

Ao Z.M., Peeters F.M. High-capacity hydrogen storage in Al-adsorbed graphene. Phys. Rev. B. 2010. 81: 205406.

Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T. General atomic and molecular electronic structure system. J. Comput. Chem. 1993. 14(11): 1347.

Becke A.D. Density‐functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. J. Chem. Phys. 1993. 98(7): 5648.

Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Phys. Rev. B. 1988. 37: 785.

Jackson K., Jaffar S.K., Paton R.S. Computational organic chemistry. Annu. Rep. Prog. Chem., Sect. B: Org. Chem. 2013. 109: 235.

Hutchison G.R., Ratner M.A., Marks T.J. Intermolecular Charge Transfer between Heterocyclic Oligomers. Effects of Heteroatom and Molecular Packing on Hopping Transport in Organic Semiconductors. J. Am. Chem. Soc. 2005. 127(48): 16866.

Grimme S., Ehrlich S., Goerigk L. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory. J. Comput. Chem. 2011. 32(7): 1456.

Grimme S. Density functional theory with London dispersion corrections. Wires Comput. Mol. Sci. 2011. 1(2): 211.

Alrawashdeh A.I., Lagowski J.B. The role of the solvent and the size of the nanotubein the non-covalent dispersion of carbonnanotubes with short organic oligomers–a DFTstudy. RSC Adv. 2018. 8: 30520.

Wales D.J., Berry R.S. Limitations of the Murrell–Laidler theorem. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1992. 88: 543.

Fukui K. The path of chemical reactions - the IRC approach. Acc. Chem. Res. 1981. 14(12): 363.

Dreyer D.R., Park S., Bielawski C.W., Ruoff R.S. The chemistry of graphene oxide. Chem. Soc. Rev. 2010. 39: 228.

Koopmans T. Über die zuordnung von wellenfunktionen und eigenwerten zu den einzelnen elektronen eines atoms. Physica. 1934. 1(1–6): 104.

Bellafont N.P., Illas F., Bagus P.S. Validation of Koopmans’ theorem for density functional theory binding energies. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015. 17: 4015.




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp12.02.112

Copyright (©) 2021 M. T. Kartel, V. V. Lobanov, E. M. Demyanenko, Wang Bo, A. G. Grebenyuk, O. S. Karpenko

 CC By Creative Commons "Attribution" 4.0