Монослой тетраоксо[8]циркулена как материал для водородных хранилищ: модель с поправками Бойса–Бернарди в рамках теории функционала электронной плотности

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

С помощью теории функционала электронной плотности с поправками на дисперсионное взаимодействие (полуэмпирическими и аналитическими) были исследованы параметры адсорбции молекулярного водорода на монослое тетраоксо[8]циркулена. Расчеты выполнены с использованием двух разных подходов к представлению волновой функции системы – в базисах атомноподобных орбиталей и плоских волн. Показано, что в атомноподобном базисе (менее затратном по вычислительным ресурсам) возможно получить результаты по адсорбции молекулярного водорода, не уступающие таковым в базисе плоских волн, если оптимизировать базис атомноподобных орбиталей и учесть поправку, компенсирующую ошибку суперпозиции базисного набора, возникающую как при вычислении энергии связи, так и при моделировании геометрических характеристик. Если этого не сделать, то энергия связи H2 с основой может быть завышена в 4–6 раз, а иногда и больше, в 20 раз; а расстояние водород–монослой будет занижено на 10–20%. Параметры оптимизированных атомноподобных орбиталей могут быть использованы для дальнейшего исследования модифицированных форм монослоя тетраоксо[8]циркулена. Тем более наши расчеты показали, что связь водорода с совершенным монослоем тетраоксо[8]-циркулена преимущественно ван-дер-ваальсова с энергией 60–90 мэВ, что в несколько раз меньше желаемого диапазона в 200–600 мэВ. Чтобы достигнуть таких значений, необходимо будет модифицировать поверхность монослоя, создавая более активные сорбционные центры, например, посредством декорирования металлами или нанесением структурных дефектов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. В. Аникина

Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: anikate@inbox.ru
Россия, 454080, Челябинск

Д. В. Бабайлова

Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)

Email: anikate@inbox.ru
Россия, 454080, Челябинск

М. С. Жилин

Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)

Email: anikate@inbox.ru
Россия, 454080, Челябинск

В. П. Бескачко

Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)

Email: anikate@inbox.ru
Россия, 454080, Челябинск

Список литературы

  1. Simanullang M., Prost L. // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. № 69. P. 29808. https://www.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.06.301
  2. Wang Y., Yang P., Zheng L., Shi X., Zheng H. // Energy Storage Materials. 2020. V. 26. P. 349. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.11.006
  3. Anglada E., Soler J.M., Junquera J., Artacho E. // Phys. Rev. B. 2002. V. 66. № 20. P. 205101. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.66.205101
  4. Ferre-Vilaplana A. // J. Chem. Phys. 2005. V. 122. № 10. P. 104709. https://www.doi.org/10.1063/1.1859278
  5. Vilela Oliveira D., Laun J., Peintinger M.F., Bre- dow T. // J. Comput. Chem. 2019. V. 40. № 27. P. 2364. https://www.doi.org/10.1002/jcc.26013
  6. Begunovich L.V., Kuklin A.V., Baryshnikov G.V., Valiev R.R., Ågren H. // Nanoscale. 2021. V. 13. № 9. P. 4799. https://www.doi.org/10.1039/D0NR08554E
  7. Fritz P.W., Chen T., Ashirov T., Nguyen A.D., Dincă M., Coskun A. // Angew. Chemie. 2022. V. 61. № 17. P. e202116527. https://www.doi.org/10.1002/anie.202116527
  8. Baryshnikov G.V., Minaev B.F., Karaush N.N., Minae-va V.A. // RSC Adv. 2014. V. 4. № 49. P. 25843. https://www.doi.org/10.1039/c4ra02693d
  9. Karaush-Karmazin N., Baryshnikov G., Minaeva V., Panchenko O., Minaev B. // Comput. Theor. Chem. 2022. V. 1217. P. 113900. https://www.doi.org/10.1016/j.comptc.2022.113900
  10. Artacho E., Anglada E., Diéguez O., Gale J.D., García A., Junquera J., Martin R.M., Ordejón P., Pruneda J.M., Sánchez-Portal D., Soler J.M. // J. Phys. Condens. Matter. 2008. V. 20. № 6. P. 064208. https://www.doi.org/10.1088/0953-8984/20/6/064208
  11. Kresse G., Joubert D. // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. № 3. P. 1758. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.59.1758
  12. Soler J.M., Artacho E., Gale J.D., García A., Junque- ra J., Ordejón P., Sánchez-Portal D. // J. Phys. Condens. Matter. 2002. V. 14. № 11. P. 2745. https://www.doi.org/10.1088/0953-8984/14/11/302
  13. Salahdin O.D., Sayadi H., Solanki R., Parra R.M.R., Al-Thamir M., Jalil A.T., Izzat S.E., Hammid A.T., Arenas L.A.B., Kianfar E. // Appl. Phys. A. 2022. V. 128. № 8. P. 703. https://www.doi.org/10.1007/s00339-022-05789-2
  14. Grimme S. // J. Comput. Chem. 2006. V. 27. № 15. P. 1787. https://www.doi.org/10.1002/jcc.20495
  15. Grimme S., Antony J., Ehrlich S., Krieg H. // J. Chem. Phys. 2010. V. 132. № 15. P. 154104. https://www.doi.org/10.1063/1.3382344
  16. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. № 18. P. 3865. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
  17. Dion M., Rydberg H., Schröder E., Langreth D.C., Lundqvist B.I. // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 92. № 24. P. 246401. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.246401
  18. Berland K., Hyldgaard P. // Phys. Rev. B. 2014. V. 89. № 3. P. 035412. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.89.035412
  19. Abinit’s pseudo database (2023) Fritz-Haber-Institute (FHI). https://departments.icmab.es/leem/SIESTA_MATERIAL/Databases/Pseudopotentials/periodictable-intro.html. Cited 20 May 2023.
  20. Созыкин С.А., Бескачко В.П., Вяткин Г.П. // Вестник ЮУрГУ. Серия “Математика. Механика. Физика”. 2015. T. 7. № 3. C. 78.
  21. Boys S.F., Bernardi F. // Mol. Phys. 1970. V. 19. № 4. P. 553. https://www.doi.org/10.1080/00268977000101561
  22. Anikina E.V., Beskachko V.P. // Bull. South Ural State Univ. Ser. “Mathematics. Mech. Physics.” 2020. V. 12. № 1. P. 55. https://www.doi.org/10.14529/mmph200107
  23. Artacho E., Sánchez-Portal D., Ordejón P., García A., Soler J.M. // Physica Status Solidi B. 1999. V. 215. Iss. 1. P. 809. https://www.doi.org/10.1002/(SICI)1521-3951 (199909)215:1<809::AID-PSSB809>3.0.CO;2-0
  24. Anikina E., Naqvi S.R., Bae H., Lee H., Luo W., Ahuja R., Hussain T. // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. № 19. P. 10654. https://www.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.01.126

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Атомная структура ячейки моделирования монослоя тетраоксо[8]циркулена. Атомы углерода обозначены серым цветом, атомы кислорода – красным. Границы ячейки моделирования отмечены черной сплошной линией. Все изображения структур получены с помощью программного пакета VESTA 3. Длины связей после оптимизации геометрии в пакете VASP (в скобках – значения после оптимизации в SIESTA): 1 – 1.38 (1.39); 2 – 1.41 (1.42); 3 – 1.40 (1.40); 4 – 1.42 (1.43); 5 – 1.41 (1.41); 6 – 1.46 (1.46) Å.

Скачать (489KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимости полной энергии ячейки монослоя тетраоксо[8]циркулена Etot, параметра P и заряда, перешедшего на атом кислорода QO от: (а) радиуса обрезки r орбитали О2p; (б) параметра SplitNorm (задает радиус обрезки rm модифицированной орбитали). Заряд кислорода приведен у основания столбцов (1). a0 = 0.529 Å.

Скачать (366KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимости энергии связи водорода в конфигурации О1 от расстояния d между центром молекулы H2 и монослоем TOC, вычисленные до и после внесения поправки к ошибке суперпозиции базисного набора в геометрию структуры. Результаты приведены для приближения PBE+D2 и атомноподобного базиса, генерируемого по умолчанию в пакете SIESTA.

Скачать (175KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Оптимизированные в приближении PBE+D2 в ПВ-базисе атомные структуры тетраоксо[8]циркулена с адсорбированной молекулой водорода. Атомы углерода, кислорода и водорода обозначены серым, красным и зеленым цветом соответственно. Все расстояния d между монослоем и центром молекулы H2 приведены в Å.

Скачать (415KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Энергия связи Ebind и расстояние между центром H2 и монослоем TOC, вычисленные с дисперсионными поправками для четырех наиболее энергетически выгодных конфигураций. Результаты с поправками Гримме получены в пакете VASP, с аналитическим vdW функционалом – в пакете SIESTA.

Скачать (372KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024