Написати автору Квантовохімічне моделювання кислотно-основних властивостей поверхні наночастинок SnO2
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp14.04.495
Анотація
Побудовано молекулярні моделі наночастинок діоксиду стануму, які містять 1-7 атомів металу і можуть включати координовану або конституційну воду. В залежності від складу моделей, координаційне число атома Стануму змінювалось від 4 до 6, а Оксигену – становило 2 або 3. Розглянуті моделі містили як термінальні (Sn–OH), так і місткові (Sn–OH–Sn) гідроксильні групи, а також місткові (Sn–O–Sn) групи. Методом теорії збурень Меллера-Плессета другого порядку з валентним базисним набором SBKJC та відповідним ефективним остовним потенціалом розраховано їхню рівноважну просторову та електронну будову. Для оцінки газофазної кислотності поверхні діоксиду стануму визначено енергію депротонування досліджуваних моделей. Розраховано енергію адсорбції молекул води та гідроксид-іонів на апротонних (неповнокоординованих) атомах Стануму, які виcтупають в ролі кислотних центрів Льюїса. З метою оцінки величини рКа поверхні діоксиду стануму розраховано вільну енергію Гіббса для процесу утворення іонних пар завдяки перенесенню протона від гідроксильних груп до адсорбованих молекул води. На підставі аналізу енергетичних ефектів координації молекул води та гідроксид-іона, видалення протона та його перенесення на гідратованій поверхні діоксиду стануму зроблено кількісні оцінки кислотно-основних характеристик активних центрів поверхні SnO2. Виявлено залежність кислотності гідроксильних груп та координованих молекул води від координаційного числа атома Оксигену та сусіднього атома Стануму, а також від розмірів кластерної моделі. Показано, що кислотність протонних та апротонних центрів залежить від їхнього оточення та закономірно зменшується при збільшенні координаційного числа атома Стануму. Використана в роботі методика розрахунку величини рКа для найменшої моделі складу SnO2×2H2O дозволяє відтворити експериментальні дані для станатних кислот.
Ключові слова
Повний текст:
Посилання
1. Lee S.-Y., Park K.-Y., Kim W.-S., Yoon S., Hong S.-H., Kang K., Kim M. Unveiling origin of additional capacity of SnO2 anode in lithium-ion batteries by realistic ex situ TEM analysis. Nano Energy. 2016. 19: 234. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2015.10.026
2. Odani A., Nimberger A., Markovsky B., Sominski E., Levi E., Kumar V.G. Development and testing of nanomaterials for rechargeable lithium batteries. J. Power Sources. 2003. 119-121: 517. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(03)00276-3
3. Xu X., Zhang R., Zeng X., Han X., Li Y., Liu Y., Wang X. Effects of La, Ce, and Y oxides on SnO2 catalysts for CO and CH4 oxidation. Chem. Cat. Chem. 2013. 5(7): 2025. https://doi.org/10.1002/cctc.201200760
4. Liberkova K., Touroude R. Performance of Pt/SnO2 catalyst in the gas phase hydrogenation of crotonaldehyde. J. Mol. Catal. A Chem. 2002. 180(1-2): 221. https://doi.org/10.1016/S1381-1169(01)00439-3
5. Manjunathan P., Marakatti V.S., Chandra P., Kulal A.B., Umbarkar S.B., Ravishankar R. Mesoporous tin oxide: an efficient catalyst with versatile applications in acid and oxidation catalysis. Catal. Today. 2018. 309: 61. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2017.10.009
6. Ray S., Dutta J., Barua A.K. Bilayer SnO2: In/SnO2 thin films as transparent electrodes of amorphous silicon solar cells. Thin Solid Films. 1991. 199(2): 201. https://doi.org/10.1016/0040-6090(91)90001-E
7. Tran V.-H., Ambade R.B., Ambade S.B., Lee S.-H., Lee I.-H. Low-temperature solution-processed SnO2 nanoparticles as a cathode buffer layer for inverted organic solar cells. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. 9(2): 1645. https://doi.org/10.1021/acsami.6b10857
8. Valitova I., Natile M.M., Soavi F., Santato C., Cicoira F. Tin dioxide electrolyte-gated transistors working in depletion and enhancement modes. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. 9(42): 37013. https://doi.org/10.1021/acsami.7b09912
9. Granqvist C.G. Transparent conductors as solar energy materials: A panoramic review. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2007. 91(17): 1529. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2007.04.031
10. Tin Oxide Materials. Synthesis, Properties, and Applications. (Elsevier Inc. 2020).
11. Sauer J. Molecular models in ab initio studies of solids and surfaces: from ionic crystals and semiconductors to catalysts. Chem. Rev. 1989. 89(1): 199. https://doi.org/10.1021/cr00091a006
12. Oviedo J., Gillan M.J. Energetics and structure of stoichiometric SnO2 surfaces studied by first-principles calculations. Surf. Sci. 2000. 463(2): 93. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(00)00612-9
13. Hong S.-N., Kye Y.-H., Yu C.-J., Jong U.-G., Ri G.-C., Choe C.-S., Han J.-M. Ab initio thermodynamic study of the SnO2 (110) surface in an O2 and NO environment: a fundamental understanding of the gas sensing mechanism for NO and NO2. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. 18(46): 31566. https://doi.org/10.1039/C6CP05433A
14. Agamalyan M.A., Hunanyan A.A., Harutyunyan V.M., Aleksanyan M.S., Sayunts A.G., Zakaryan A.A. Studies of the interaction of H2O2 with the SnO2 (110) surface from first principles. Izvestia of the National Academy of Sciences of Armenia, Phys. 2020. 55(3): 358. [in Russian]. https://doi.org/10.3103/S1068337220030020
15. Korotcenkov G., Golovanov V., Brinzari V., Cornet A., Morante J., Ivanov M. Distinguishing feature of metal oxide films' structural engineering for gas sensor applications. J. Phys. 2005. 15: 256. https://doi.org/10.1088/1742-6596/15/1/043
16. Kılıç C., Zunger A. Origins of coexistence of conductivity and transparency in SnO2. Phys. Rev. Let. 2002. 88(9): 95. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.095501
17. Sensato F.R., Filho O.T., Longo E., Sambrano J.R., Andres J. Theoretical analysis of the energy levels indused by oxygen vacancies and the doping process (Co, Cu and Zn) on SnO2 (110) surface models. J. Mol. Struct. 2001. 541(1-3): 69. https://doi.org/10.1016/S0166-1280(00)00731-4
18. Abdulsattar M.A., Abed H.H., Jabbar R.H., Almaroof N.M. Effect of formaldehyde properties on SnO2 clusters gas sensitivity: A DFT study. J. Mol. Graph. Model. 2021. 102: 107791. https://doi.org/10.1016/j.jmgm.2020.107791
19. Zhao Z., Li Z. First-principle calculations on the structures and electronic properties of the CO-adsorbed (SnO2)2 clusters. Struc. Chem. 2020. 31(5): 1861. https://doi.org/10.1007/s11224-020-01554-4
20. Ducere J.-M., Hemeryck A., Esteve A., Rouhani M.D., Landa G., Menini P., Tropis C., Maisonnat A., Fau P., Chaudret B. A Computational chemist approach to gas sensors: modeling the response of SnO2 to CO, O2, and H2O gases. J. Comput. Chem. 2011. 33(3): 247. https://doi.org/10.1002/jcc.21959
21. Tingting S., Fuchun Z., Weihu Z. Density functional theory study on the electronic structure and optical properties of SnO2. Rare Metal Materials and Engineering. 2015. 44(10): 2409. https://doi.org/10.1016/S1875-5372(16)30031-5
22. Tanabe K. Solid Acids and Bases: Their Catalytic Properties. (Tokyo: Kodansha Ltd., 1970.) https://doi.org/10.1016/B978-0-12-683250-1.50005-5
23. Marikutsa A.V., Rumyantseva M.N., Konstantinova E.A., Shatalova T.B., Gaskov A.M. Active sites on nanocrystalline tin dioxide surface: effect of palladium and ruthenium oxides clusters. J. Phys. Chem. C. 2014. 118(37): 21541. https://doi.org/10.1021/jp5071902
24. Baldasare C.A., Seybold H.G. Computational Estimation of the Aqueous Acidities of Alcohols, Hydrates, and Enols. J. Phys. Chem. A. 2021. 125(17): 3600. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.1c01330
25. Tingting S., Fuchun Z., Weihu Z. Density functional theory study on the electronic structure and optical properties of SnO2. Rare Metal Materials and Engineering. 2015. 44(10): 2409. https://doi.org/10.1016/S1875-5372(16)30031-5
26. Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Nguen K.A., Su S.J., Windus T.L., Dupuis M., Montgomery J.A. General atomic and molecular electronic structure system. J. Comput. Chem. 1993. 14(11): 1347. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112
27. Sain S., Kar A., Patra A., Pradhan S.K. Structural interpretation of SnO2 nanocrystals of different morphologies synthesized by microwave irradiation and hydrothermal methods. Cryst. Eng. Comm. 2014. 16(6): 1079. https://doi.org/10.1039/C3CE42281J
28. Pavelko R.G., Daly H., Hardacre C., Vasilieva A.A., Llobeta E. Interaction of water, hydrogen and their mixtures with SnO2 based materials: the role of surface hydroxyl groups in detection mechanisms. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010. 12: 2639. https://doi.org/10.1039/b921665k
29. Abee M.W., Cox D.F. NH3 chemisorption on stoichiometric and oxygen-deficient SnO2(110) surfaces. Surf. Sci. 2002. 520(1-2): 65. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(02)02247-1
30. Petro N.S., El-Naggar I.M., Shabana E.-S.I., Misak N.Z. On the behaviour of hydrous tin oxide as an ion exchanger: structural features, porous texture, capacity and apparent pK values. Colloids Surf. 1990. 49: 219. https://doi.org/10.1016/0166-6622(90)80104-C
31. Demianenko E., Ilchenko M., Grebenyuk A., Lobanov V. A theoretical study on orthosilicic acid dissociation in water clusters. Chem. Phys. Lett. 2011. 515(4-6): 274. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2011.09.038
32. Kravchenko A.A., Demianenko E.M., Filonenko O.V., Grebenyuk A.G., Lobanov V.V., Terets M.I. A quantum chemical analysis of dependence of the protolytic properties of silica nanoparticles on the composition and spatial structures of their molecules. Surface. 2017. 9(24): 28. https://doi.org/10.15407/Surface.2017.09.028
33. Grebenyuk A.G. Coexistence of ion pairs and molecular associates in the nanoparticles of inorganic compounds. Surface. 2019. 11(26): 344. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2019.11.344
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp14.04.495
Copyright (©) 2023 O. V. Filonenko, A. G. Grebenyuk, M. I. Terebinska, V. V. Lobanov
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.