ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛЕГИРОВАНИЯ МЕТАЛЛАМИ (Co, Ni, Cu) НА СТРУКТУРНЫЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ОДНОСЛОЙНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК: ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Аннотация
Широко параметризованный самосогласованный квантово-химический метод GFN2-xTB был использован для исследования влияния легирования металлами Co, Ni и Cu на структурные и электронные свойства однослойных углеродных нанотрубок (CNT). Результаты вычислений энергии взаимодействия, порядка связей и зарядов атомов по Мулликену показали, что легированные металлы образуют химические связи с поверхностью CNT через металло-углеродные связи. Было отмечено значительное перенесение заряда от атомов металла к CNT, особенно в случае Cu/CNT. Анализ значений энергии ионизации (IP), сродства к электрону (EA) и глобального индекса электрофильности (GEI) показал, что присутствие металлов увеличивает значения IP, EA и GEI по сравнению с чистыми CNT. Эти изменения свидетельствуют о повышении реакционной способности и стабильности легированных нанотрубок. Кислотность Льюиса исследуемых систем увеличивается в следующем порядке: Ni/CNT < Co/CNT < Cu/CNT. Вычисления плотности, взвешенной по дробному числу заполнения, показали, что в системах с легированными металлами CNT плотность горячих и химически активных электронов преимущественно сосредоточена на атомах металла. Анализы молекулярных орбиталей продемонстрировали вклад атомов металла в HOMO и LUMO, что существенно влияет на электронные свойства нанотрубок. Кроме того, центральное расстояние (Dij) между HOMO и LUMO систем M/CNT (M = Co, Ni, Cu) зависит от легирования металлами. Среди исследованных систем, Co/CNT имеет наименьший энергетический зазор между LUMO и HOMO и наибольшее значение Dij, что указывает на его пригодность для фотокаталитических приложений. Эти результаты могут быть полезны для разработки новых материалов на основе углеродных нанотрубок с улучшенными свойствами для различных практических применений.
Для цитирования:
Фам Тхи Бе, Фан Ту Куи, Буй Конг Чинь, Нгуен Тхи Ким Зянг, Нгуен Тхи Тху Ха Изучение влияния легирования металлами (Co, Ni, Cu) на структурные и электронные свойства однослойных углеродных нанотрубок: теоретический анализ. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 12. С. 73-79. DOI: 10.6060/ivkkt.20246712.7115.
Литература
Maheswaran R., Shanmugavel B. A Critical Review of the Role of Carbon Nanotubes in the Progress of Next-Generation Electronic Applications. J. Electron. Mater. 2022. V. 51. N 6. P. 2786-2800. DOI: 10.1007/s11664-022-09516-8.
Rathinavel S., Priyadharshini K., Panda D. A review on carbon nanotube: An overview of synthesis, properties, functionalization, characterization, and the application. Mater. Sci. Eng. 2021. V 268. P. 115095. DOI: 10.1016/j.mseb.2021.115095.
Daneshvar F., Chen H., Noh K., Sue H. J. Critical chal-lenges and advances in the carbon nanotube–metal interface for next-generation electronics. Nanoscale Adv. 2021. V. 3. N 4. P. 942-962. DOI: 10.1039/D0NA00822B.
Shchegolkov A.V., Burakova E.A., Dyachkova T.P., Orlova N.V., Komarov F.F., Lipkin M.S. Synthesis and functionalization of carbon nanotubes for supercapacitor electrodes. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 7. P. 74-81. DOI: 10.6060/ivkkt.20206307.6239.
Nayini M.M.R., Ranjbar Z. Carbon Nanotubes: Dispersion Challenge and How to Overcome It. Handbook of Carbon Nanotubes. 2021. DOI: 10.1007/978-3-030-913465_64.
Xu B., Chen R., Zhou J., Liang J. Recent Progress and Challenges Regarding Carbon Nanotube On-Chip Inter-connects. Micromachines. 2022. V. 13. N 7. P. 1148. DOI: 10.3390/m.i13071148.
Larionov K.V., Sorokin P.B. Study of an aluminum-based nanocomposite reinforced with carbon nanotubes. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 11. P. 41-48. DOI: 10.6060/ivkkt.20226511.5y.
Liu Y., Zhang Q., Zhang R., Wang B., Hao R., Zhang W., Sang S. Manipulating the electronic properties of CNT by doping metal. Mater. Sci. Eng. 2020. V. 262. P. 114803. DOI: 10.1016/j.mseb.2020.114803.
Nguyen T.T.H., Le V.K., Le M.C., Nguyen N.H. A theoretical study of carbon dioxide adsorption and activation on metal-doped (Fe, Co, Ni) carbon nanotube. Comput. Theor. Chem. 2017. V. 1100. P. 46-51. DOI: 10.1016/j.comptc.2016.12.006.
Singh A., Ram Prabhu T., Sanjay A.R., Koti V. An Overview of Processing and Properties of CU/CNT Nano Composites. Mater. Today: Proceed. 2017. V. 4. N 2. Pt. A. P. 3872-3881. DOI: 10.1016/j.matpr.2017.02.286.
Din I.U., Alharthi A.I., Alotaibi M.A., Naeem A., Saeed T., Nassar A.A. Deciphering the role of CNT for metha-nol fuel synthesis by CO2 hydrogenation over Cu/CNT catalysts. Chem. Eng. Res. Des. 2023. V. 194. P. 115-120. DOI: 10.1016/j.cherd.2023.04.034.
Pham T.B., Nguyen T.H., Le V.K., Hoang V.H., Bui C.T, Vu M.T., Nguyen N.H., Nguyen T.T.H. Study on the adsorption of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid on silver doped carbon nanotube using tight-binding quantum chemical method. Comput. Theor. Chem. 2024. V. 1234. P. 114517. DOI: 10.1016/j.comptc.2024.114517.
Chernyak S.A., Suslova E.V., Egorov A.V., Maslakov K.I., Savilov S.V., Lunin V.V. Effect of Co crystallinity on Co/CNT catalytic activity in CO/CO2 hydrogenation and CO disproportionation. Appl. Surf. Sci. 2016. V. 372. P. 100-107. DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.03.052.
Shen Y., Lua A.C. Synthesis of Ni and Ni–Cu supported on carbon nanotubes for hydrogen and carbon production by catalytic decomposition of methane. Appl. Catal., B. 2015. V. 164. P. 61-69. DOI: 10.1016/j.apcatb.2014.08.038.
Chen Y.K., Liu L.V., Tian W.Q., Wang Y.A. Theoretical Studies of Transition-Metal-Doped Single-Walled Carbon Nanotubes. J. Phys. Chem. C. 2011. V. 115. N 19. P. 9306-9311. DOI: 10.1021/jp909490v.
Kang H.S. heoretical study of binding of metal-doped graphene sheet and carbon nanotubes with dioxin. J. Am. Chem. Soc. 2005. V. 127. N 27. P. 9839-43. DOI: 10.1021/ja0509681.
Yuksel N., Kose A., Fellah M.F. Pd, Ag and Rh doped (8,0) single-walled carbon nanotubes (SWCNTs): A DFT study on furan adsorption and detection. Surf. Sci. 2022. V. 715. P. 121939. DOI: 10.1016/j.susc.2021.121939.
Mao Y.L., Yan X.H., Xiao Y. Firstprinciples study of transition-metal-doped single-walled carbon nanotubes. Nanotechnol. 2005. V. 16. N 12. P. 3092. DOI: 10.1088/ 09574484/16/12/061.
Itas Y.S., Khandaker M.U., Suleiman A.B., Ndikilar C.E., Lawal A., Razali R., Idowu I.I., Danmadami A.M., Yamusa A.S., Osman H., Idris A.M. Studies of H2 storage efficiency of metal-doped carbon nanotubes by optical adsorption spectra analysis. Diamond Relat. Mater. 2023. V. 136. P. 109964. DOI: 10.1016/j.diamond.2023.109964.
Sharafeldin, Icell M., Allam, Nageh K. DFT insights into the electronic properties and adsorption of NO2 on metal-doped carbon nanotubes for gas sensing applications. New J. Chem. 2017. V. 41. N 24. P. 14936-14944. DOI: 10.1039/C7NJ03109B.
Jonuarti R., Suprijadi, Zulaehah S. CO adsorption on ultra-small carbon nanotubes decorated with single transi-tion metal atoms. Physica B. 2023. V. 654. P. 414681. DOI: 10.1016/j.physb.2023.414681.
Bannwarth C., Ehlert S., Grimme S. GFN2-xTB—An Accurate and Broadly Parametrized Self-Consistent Tight-Binding Quantum Chemical Method with Multipole Electrostatics and Density-Dependent Dispersion Contribu-tions. J. Chem. Theory Comput. 2019. V. 15. N 3. P. 1652-1671. DOI: 10.1021/acs.jctc.8b01176.
Bannwarth C., Caldeweyher E., Ehlert S., Hansen A., Pracht P., Seibert J., Spicher S., Grimme S. Extended tight-binding quantum chemistry methods. WIREs Comput. Mol. Sci. 2021. V. 11. N 2. P. e1493. DOI: 10.1002/wcms.1493.
Caldeweyher E., Mewes J.M., Ehlert S., Grimme S. Extension and evaluation of the D4 London-dispersion mod-el for periodic systems. Phys. Chem. Chem. Phys. 2020. V. 22. N 16. P. 8499-8512. DOI: 10.1039/D0CP00502A.
Cordero B., Gómez V., Platero-Prats A.E., Revés M., Echeverría J., Cremades E., Barragán F. Alvarez S. Co-valent radii revisited. Dalton. Trans. 2008. N 21. P. 2832-2838. DOI: 10.1039/b801115j.
Jupp A.R., Johnstone T.C., Stephan D.W. The global electrophilicity index as a metric for Lewis acidity. Dalton. Trans. 2018. V. 47. N 20. P. 7029-7035. DOI: 10.1039/C8DT01699B.
Prabhu S., Nithya A., Mohan S.C., Jothivenkatachalam K. Synthesis, Surface Acidity and Photocatalytic Activity of WO3/TiO2 Nanocomposites – An Overview. Mater. Sci. Forum. 2014. V. 781. P. 63-78. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.781.63.
Bauer C., Hansen A., Grimme S. The Fractional Occupation Number Weighted Density as a Versatile Analysis Tool for Molecules with a Complicated Electronic Struc-ture. Chem. Eur. J. 2017. V. 23. N 25. P. 6150-6164. DOI: 10.1002/chem.201604682.
Lu T., Chen F. Multiwfn: A multifunctional wavefunction analyzer. J. Comput. Chem. 2012. V. 33. N 5. P. 580-592. DOI: 10.1002/jcc.22885.
