МОЛЕКУЛЯРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АДСОРБЦИИ ГАЗОВ-ПОЛЛЮТАНТОВ НА КАДМИЙСОДЕРЖАЩЕМ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЕ
Аннотация
В публикации представлены теоретические исследования адсорбции газов-поллютантов на поверхности кадмийсодержащего полиакрилонитрила (Cd-полиакрилонитрила) при отсутствии и наличии в окружающей среде молекул воды и молекул кислорода. Определен перечень газов, к которым поверхность Cd-полиакрилонитрила может проявлять наибольшую чувствительностью. В качестве газов-загрязнителей выбраны диоксид азота, метан, аммиак, оксид серы (II), сероводород, озон, монооксид углерода, оксид углерода (II), хлор. Для моделирования в работе использованы программные пакеты: HyperChem, Gaussian 09, Сhemoffice 2010. По итогам работы в HyperChem, Gaussian 09 получены модели макромолекул полиакринонитрила, из которых для получения кластера Cd-полиакрилонитрила выбрана макромолекула пентамера. Затем, реализуя метод молекулярной механики в Сhemoffice 2010, а именно в подпрограмме Chem3D, произведено построение модели кластера Cd-полиакрилонитрила. Далее методом молекулярного моделирования определены термодинамические показатели систем: «кластер Cd-полиакрилонитрила – молекула газа», «кластер Cd-полиакрилонитрила – молекула кислорода», «кластер Cd-полиакрилонитрила – молекула воды», «кластер Cd-полиакрилонитрила – молекула кислорода – молекула газа», «кластер Cd-полиакрилонитрила – молекула воды – молекула газа». В результате молекулярного моделирования установлено, что Cd-полиакрилонитрил в атмосферном воздухе проявляет чувствительность к газообразному хлору и монооксиду углерода; в бескислородной среде – также к сероводороду. Результаты молекулярного моделирования подтверждают ранее полученные экспериментальные данные по оценке газочувствительности Cd-полиакрилонитрила и указывают на действие сил Ван-дер-Ваальса между поверхностью Cd-полиакрилонитрила и адсорбирующейся молекулой газа. Наличие или отсутствие в атмосферном воздухе молекул воды не должно сказываться на изменении чувствительности Cd-полиакрилонитрила к газам-поллютантам.
Литература
Karbownik I., Fiedot M., Rac O. Effect of doping polyacrylonitrile fibers on their structural and mechanical properties. Polymer. 2015. V. 75. P. 97–108. DOI: 10.1016/j.polymer.2015.08.015
Wenyu Wang, Yide Zheng, Xin Jin. Unexpectedly high piezoelectricity of electrospun polyacrylonitrile nanofiber membranes. Nano Energy. 2019. V. 56. P. 588–594. DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.11.082.
Stergios Logothetidis. Flexible organic electronic devices: Materials, process and applications. Mater. Sci. Eng.: B. 2008. V. 152. N 1–3. P. 96–104. DOI: 10.1016/j.mseb.2008.06.009.
Efimov M.N., Sosenkin V.E., Volfkovich Yu.M. Electrochemical performance of polyacrylonitrile-derived activated carbon prepared via IR pyrolysis. Electrochem.Commun. 2018. V. 96. P. 98-102. DOI: 10.1016/j.elecom.2018.10.016.
Liang Chen, Yinze Zuo, Yu Zhang, Yanmin Gao. A novel CuCo2S4/polyacrylonitrile ink for flexible film supercapacitors. Mater.Lett. 2018. V. 215. P. 268-271. DOI: 10.1016/j.matlet.2017.12.119.
Savest N., Plamus T., Tarasova E. The effect of ionic liquids on the conductivity of electrospun polyacrylonitrile membranes. J. Electrostat. 2016. V. 83. P. 63-68. DOI: 10.1016/j.elstat.2016.07.006.
Kozlov V.V., Karpacheva G.P., Petrov V.S., Lazovskaya E.V. Formation of polyconjugated bonds in polyacrylonitrile by thermal treatment in vacuum. Polymer Sci. Ser. A. 2001. V. 43 (1). P. 20-26.
Laffont L., Monthioux M., Serin V. An EELS study of the structural and chemical transformation of PAN poly-mer to solid carbon. Carbon. 2004. V. 42. N 12-13. P. 2485-2494. DOI: 10.1016/j.carbon.2004.04.043.
Yoshida H., Sato N. Deposition of Acrylonitrile Cluster Ions on Solid Substrates: Thin Film Formation by Intra-cluster Polymerization Products. J. Phys. Chem. B. 2006. V. 110. N 9. P. 4232-4239. DOI: 10.1021/jp0546397.
Semenistaya T.N., Ivanenko A.V. Choice of technological conditions for synthesis of sensing materials based on polyacrylonitrile on flexible substrate. J. Phys.: Conf. Ser. 2018. V. 1016. N 1. P. 014065.
Merdrignac-Conanec O., Bernicot Y., Guyader J. Humidity effect on baseline conductance and H2S sensitivity of cadmium germanium oxynitride thick film gas sensors. Sens. Actuat. B: Chem. 2000. V. 63. N 1-2. P. 86-90. DOI: 10.1016/S0925-4005(00)00302-6.
Ravindra V. Ghorpade, Dong Won Cho, Sung Chul Hong. Effect of controlled tacticity of polyacrylonitrile (co)polymers on their thermal oxidative stabilization behaviors and the properties of resulting carbon films. Car-bon. 2017. V. 121. P. 502-511. DOI: 10.1016/j.carbon.2017.06.015/.
Avilova M.M., Petrov М.М. A study of gas-sensitive properties of cobalt-modified polyacrylonitrile films by the methods of molecular modeling and quantum chemistry. Russ. J. Phys. Chem. B. 2017. V. 11. N 4. P. 618-623. DOI: 10.1134/S1990793117040029.
Nechaev I.V., Vvedensky A.V. Quantum-chemical simulation of the adsorption of chloride ion and water molecules on metals of the I B subgroup. Fizikokhim. Pover. Zashch. Mater. 2009. V. 45. N 2. P. 150-159 (in Russian). Нечаев И.В., Введенский А.В. Квантово-химическое моделирование адсорбции хлорид-иона и молекулы воды на металлах I B подгруппы. Физикохим. пов-ти и защита мат-лов. 2009. Т. 45. № 2. С. 150-159.
Meyer I. Selected chapters of quantum chemistry: proof of theorems and the derivation of formulas. M.: Laboratoriya znaniy. 2017. 387 p. (in Russian). Майер И. Избранные главы квантовой химии: доказательство теорем и вывод формул. М.: Лаборатория знаний. 2017. 387 с.
Burkert U., Ellinger N. Molecular mechanics: translation from English. М.: Mir. 1986. 364 p. (in Russian).
Буркерт У., Эллинджер Н. Молекулярная механика. М.: Мир. 1986. 364 с.
Zaporotskova I.V., Kojitov L.V., Anikeev N.A. Theoretical studies of the structure of the metal-carbon composites on the base of acryle-nitrile nanopolimer. J. Nano Electronic Phys. 2014. V. 6. N 3. P. 03035.
Xinliang Yu, Bing Yi, Zhimin Xie. Prediction of the conformational property for polymers using quantum chemical descriptors. Chemomet. Intell. Labor. Syst. 2007. V. 87. N 2. P. 247-251. DOI: 10.1016/j.chemolab.2007.03.001
Kun Ge, Qichang Yu, Shaohua Chen. Modeling CO2 adsorption dynamics within solid amine sorbent based on the fundamental diffusion-reaction processes. Chem. Eng. J. 2019. V. 364. P. 328-339. DOI: 10.1016/j.cej.2019.01.183.
Masataka Nagaoka, Yusuke Ohta, Haruko Hitomi. Theoretical characterization of coordination space: Adsorption state and behavior of small molecules in nanochanneled metal-organic frameworks via electronic state theory, molecular mechanical and Monte Carlo simulation. Coord. Chem. Rev. 2007. V. 251. N 21–24. P. 2522-2536. DOI: 10.1016/j.ccr.2007.08.016.
Jing Zhang, Yu-xi Liu, Re-Bing Wu. Quantum feedback: theory, experiments, and applications. Phys. Reports. 2017. V. 679. P. 1-60. DOI: 10.1016/j.physrep.2017.02.003.
Chemical Encyclopedic Dictionary. Ed. by I.L. Knunyants. М.: Sovetskaya Entsiklopediya. 1983. P. 231 (in Russian). Химический энциклопедический словарь. Под ред. И.Л. Кнунянц. М.: Советская энциклопедия. 1983. С. 231.
