Написати автору Квантовохімічне моделювання структури та властивостей нанокластерів SnO2
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp12.04.283
Анотація
Методом теорії функціоналу густини з обмінно-кореляційним функціоналом B3LYP і базисним набором 3-21G(d) розглянуто структурні та енергетичні характеристики молекулярних моделей нанокластерів SnO2 різного розміру та складу з кількістю атомів Sn від 1 до 10. Поверхневі неповнокоординовані атоми Стануму замикались гідроксильними групами. Показано, що довжина зв’язку Sn–O в нанокластерах не залежить від їхнього розміру та координаційного числа атомів Sn, а визначається координаційним типом сусідніх атомів Оксигену. А саме, довжина зв’язку Sn–O(3) (@ 2.10 Å) > довжини зв’язку Sn–O(2) (@ 1.98 Å). Одержані довжини зв’язку Sn–O(3) добре узгоджуються із експериментальними значеннями для кристалічних зразків SnO2 (2.05 Å). Теоретично розрахована ширина енергетичної щілини із збільшенням розміру кластера закономірно зменшується (від 6.14 до 3.46 еВ) і наближається до експериментального значення ширини забороненої зони кристала SnO2 (3.6 еВ). Для аналізу енергетичних характеристик розглянутих моделей та оцінки відповідних величин для кристала каситериту використано принцип адитивності. Згідно цього принципу, молекулярна модель може бути представлена як сукупність атомів або атомних угруповань декількох типів, які різняться координаційним оточенням і, отже, дають різні внески в повну енергію системи. Розрахована енергія атомізації для SnO2 складає 1661 кДж/моль і задовільно відповідає експериментально виміряній питомій енергії атомізації кристалічного SnO2 (1381 кДж/моль). Показано, що задовільне відтворення екпериментальних характеристик кристалічного діоксиду олова можливе при використанні кластерів, які містять щонайменше 10 атомів Cтануму, наприклад, (SnO2)10×14H2O.
Ключові слова
Повний текст:
Посилання
1. Batzill M., Diebold U. The surface and materials science of tin oxide. Prog. Surf. Sci. 2005. 79(2-4): 47. https://doi.org/10.1016/j.progsurf.2005.09.002
2. Mallika C., Edwin Suresh Raj A.M., Nagaraja K.S., Sreedharan O.M. Use of SnO for the determination of standard Gibbs energy of formation of SnO2 by oxide electrolyte e.m.f. measurements. Thermochim. Acta. 2001. 371(1-2): 95. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(01)00416-6
3. Tin Oxide Materials. Synthesis, Properties, and Applications. (Elsevier Inc., 2020).
4. Sidorenko T.V., Poluyanska V.V. Tin dioxide: structure, properties, applications and prospects for further study of its capillary properties. Adhesion of melts and soldering of mater. 2015. 48: 15. [in Ukrainian].
5. Sanon G., Rup R., Mansingh A. Band-gap narrowing and band structure in degenerate tin oxide (SnO2) films. Phys. Rev. B. Condens Matter. 1991. 44(11): 5672. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.44.5672
6. Tan L., Wang L., Wang Y. Hydrothermal synthesis of SnO2 nanostructures with different morphologies and their optical properties. J. Nanomater. 2011. 2011(23): 1. https://doi.org/10.1155/2011/529874
7. Zheleznyak A.R., Bakalinskaya O.M., Brychka A.V., Kalenyuk G.O., Kartel M.T. Properties, methods of obtaining and applying nanoxide of stanum. Surface. 2020. 12(27): 193. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2020.12.193
8. Das S., Jayaraman V. SnO2: A comprehensive review on structures and gas sensors. Prog. Mater. Sci. 2014. 66: 112. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2014.06.003
9. Yang J.W., Cho H.J., Lee S.H., Lee J.Y. Characterization of SnO2 ceramic gas sensor for exhaust gas monitoring of SVE process. Environ. Monit. Assess. 2004. 92(1-3): 153. https://doi.org/10.1023/B:EMAS.0000014500.49791.77
10. Suman P.H., Felix A.A., Tuller H.L., Varela J.A., Orlandi M.O. Comparative gas sensor response of SnO2, SnO and Sn3O4 nanobelts to NO2 and potential interferents. Sensors Actuators B Chem. 2015. 208: 122. https://doi.org/10.1016/j.snb.2014.10.119
11. 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
12. 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
13. 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
14. Liberkova K., Touroude R. Performance of Pt/SnO2 catalyst in the gas phase hydrogenation of crotonaldehyde. J. Mol. Catal. A Chem. 2002 180(1): 221. https://doi.org/10.1016/S1381-1169(01)00439-3
15. 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
16. 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
17. 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
18. 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
19. 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
20. Luo S., Fan J., Liu W., Zhang M., Song Z., Lin C., Wu X., Chu P.K. Synthesis and low-temperature photoluminescence properties of SnO2 nanowires and nanobelts. Nanotechnology. 2006. 17(6): 1695. https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/6/025
21. Jin Z., Fei G.T., Cao X.L., Wang X.W. Fabrication and optical properties of mesoporous SnO2 nanowire arrays. J. Nanosci. Nanotechnol. 2010. 10(8): 5471. https://doi.org/10.1166/jnn.2010.1949
22. Zhang Z., Gao J., Wong L.M., Tao J.G., Liao L., Zheng Z., Xing G.Z., Peng H.Y., Yu T., Shen Z.X., Huan C.H., Wang S.J., Wu T. Morphology-controlled synthesis and a comparative study of the physical properties of SnO2 nanostructures: from ultrathin nanowires to ultrawide nanobelts. Nanotechnology. 2009. 20(13): 135605. https://doi.org/10.1088/0957-4484/20/13/135605
23. Nagirnyak S.V. Ph.D (Technology of inorganic substances) Thesis. (Kyiv, 2018). [in Ukrainian].
24. 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
25. 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
26. 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
27. 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
28. 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(1): 256. https://doi.org/10.1088/1742-6596/15/1/043
29. Kılıç C., Zunger A. Origins of coexistence of conductivity and transparency in SnO2. Phys. Rev. Lett. 2002. 88(9): 95. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.095501
30. 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
31. 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. Graphics Modell. 2021. 102: 107791. https://doi.org/10.1016/j.jmgm.2020.107791
32. Zhao Z., Li Z. First-principle calculations on the structures and electronic properties of the CO-adsorbed (SnO2)2 clusters. Struct. Chem. 2020. 31(5): 1861. https://doi.org/10.1007/s11224-020-01554-4
33. 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
34. 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
35. Muscat J., Wander A., Harrison N.M. On the prediction of band gaps from hybrid functional theory. Chem. Phys. Lett. 2001. 342(3-4): 397. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(01)00616-9
36. Perdew J.P., Wang Y. Accurate and simple analytic representation of the electron-gas correlation energy. Phys. Rev. B. 1992. 45(23): 13244. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.45.13244
37. Lee C., Yang R.G., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Phys. Rev. B. 1988. 37(2): 785. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.785
38. Cohen N., Benson S.W. Estimation of heats of formation of organic compounds by additivity methods. Chem. Rev. 1993. 93(7): 2419. https://doi.org/10.1021/cr00023a005
39. Grebenyuk A.G., Zaets V.A., Gorlov Yu.I. Application of the MINDO/3 and MNDO methods to the calculation of the enthalpy of formation of solids. Ukrainian Chemistry Journal. 1995. 61(9): 23.
40. Reznitsky L.A. Chemical bond and transformation of oxides. (Moscow: Publishing house of Moscow State University, 1991).
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp12.04.283
Copyright (©) 2021 O. V. Filonenko, A. G. Grebenyuk, V. V. Lobanov
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.