Квантово-хімічне моделювання центрів адсорбції ортофосфорної кислоти на гідратованій поверхні анатазу
Анотація
Методом теорії функціоналу густини (обмінно-корреляційний функціонал PBE0, базисний набір 6-31 G(d,p)) проведено квантово-хімічне моделювання центрів адсорбції ортофосфорної кислоти на гідратованій поверхні анатазу. Вплив водного середовища враховувався в рамках континуальної моделі розчинника. У роботі застосовано кластерний підхід. Поверхня анатазу представлена нейтральним кластером Ti(OH)4(H2O)2 Результати аналізу геометричних і енергетичних характеристик всіх розрахованих комплексів свідчать, що найбільша енергія взаємодії притаманна міжмолекулярному комплексу ортофосфорної кислоти і гідратованої поверхні анатазу, в якому атом Оксигену фосфорильної групи (О=Р≡) утворює водневий зв'язок з атомом Гідрогену координованої молекули води кластера Ti(OH)4(H2O)2, а два атоми Гідрогену гідроксильних груп молекули ортофосфорної кислоти формують два водневі зв’язки з двома атомами Оксигену титанольних груп. Енергетичний ефект утворення цього комплекса становить -134,0 кДж/моль. Енергетичний ефект утворення комплексу з розділеними зарядами за рахунок перенесення протона з молекули H3PO4 на кластер Ti(OH)4(H2O)2 з утворенням дигідрогенфосфат аніона та протонованої форми тітанольної групи (º) становить -131,1 кДж/моль, що вказує на меншу термодинамічну ймовірність такої міжмолекулярної взаємодії. Найменша термодинамічна ймовірність (-123,9 кДж/моль) комплексоутворення ортофосфорної кислоти з гідратованою поверхнею анатазу, в якому молекула води виходить з координаційної сфери атома Титану. Результати розрахунку свідчать про можливу адсорбцію у водному розчині молекули H3PO4 на гідратованій поверхні анатазу. Врахування впливу розчинника в рамках поляризаційного континууму незначно змінює енергію адсорбції, яка становить -44,5 кДж/моль; для умов вакууму ця величина складає ‑49,0 кДж/моль.
Посилання
1. Carp O., Huisman C.L., Reller A. Photoinduced reactivity of titanium dioxide // Prog. Solid State Chem. 2004. 32 (1-2): 33. https://doi.org/10.1016/j.progsolidstchem.2004.08.001
2. Diebold U. The surface science of titanium dioxide // Surf. Sci. Rep. 2003. 48 (5 8): 53. https://doi.org/10.1016/S0167-5729(02)00100-0
3. Blagojevic V., Chen Y.-R., Steigerwald M., Brus R., Friesner A. Quantum chemical investigation of cluster models for TiO2 nanoparticles with water-derived ligand passivation: studies of excess electron states and implications for charge transport in the gratzel cell // J. Phys. Chem. C. 2009. 113: 19806. https://doi.org/10.1021/jp905332z
4. Vlasova N.N., Markitan O.V. Adsorption of inorganic phosphates on the surface of titanium dioxide // Colloid journal. 2020.82 (3): 292. [in Russian] https://doi.org/10.1134/S1061933X2003014X
5. Bermudez V.M. Ab Initio Study of the Interaction of Dimethyl Methylphosphonate with Rutile (110) and Anatase (101) TiO2 Surfaces // J. Phys. Chem. C. 2010. 114: 3063. https://doi.org/10.1021/jp9098304
6. Valentin C., Costa D. Anatase TiO2 surface functionalization by alkylphosphonic acid: a DFT+D study // J. Phys. Chem. C. 2012. 116: 2819. https://doi.org/10.1021/jp203256s
7. Pang C.L., Watkins M., Cabailh G., Ferrero, S., Ngo L., Chen Q., Thornton G. Bonding of methyl phosphonate to TiO2 (110) // J. Phys. Chem. C. 2010. 114 (40): 16983. https://doi.org/10.1021/jp1018923
8. Pawsey S., Yach K., Reven L. Self-assembly of carboxyalkylphosphonic acids on metal oxide powders // Langmuir. 2002. 18 (13): 5205. https://doi.org/10.1021/la015749h
9. Pechenyuk S.I., Kuzmich L.F. On the nature of the sorption complex on the surface of metal oxyhydroxides // Sorb. and chromatogr. processes. 2008. 8 (5): 779. [in Russian].
10. Tielens F., Gervais C., Dero G., Jaber M., Stievano L., Diogo C.C., Lambert J.-F. Characterization of phosphate species on hydrated anatase TiO2 surfaces // Langmuir. 2016. 32 (4): 997. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5b03519
11. Davis J.A., Kent D.B. Surface complexation modeling in aqueous geochemistry // Rev. Mineral. 1990. 23 (1): 177. https://doi.org/10.1515/9781501509131-009
12. Dontsova T.A. Characteristics and prospects of titanium (IV) oxide oxidation in water purification // Water and water purification technologies. Science and technology visti. 2015. 3: 66. [in Russian] https://doi.org/10.20535/2218-93001612015137579
13. Adamo C., Barone V. Toward reliable density functional methods without adjustable parameters: The PBE0 model. // J. Chem. Phys. 1999. 110 (13): 6158. https://doi.org/10.1063/1.478522
14. Labat F., Baranek P., Domain C., Minot C., Adamo C. Density functional theory analysis of the structural and electronic properties of TiO2 rutile and anatase polytypes: Performances of different exchange-correlation functionals // J. Chem. Phys. 2007. 126 (15): 154703. https://doi.org/10.1063/1.2717168
15. Tomasi J., Mennucci B., Cammi R. Quantum mechanical continuum solvation models. // Chem. Rev. 2005. 105 (8): 2999. https://doi.org/10.1021/cr9904009
16. Cossi M., Barone V., Cammi R., Tomasi J. Ab initio study of solvated molecules: a new implementation of the polarizable continuum model // Chem. Phys. Lett. 1996. 255 (4-6): 327. https://doi.org/10.1016/0009-2614(96)00349-1
17. Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Windus L., Dupuis M., Montgomery J.A. General atomic and molecular electronic structure system // J. Comp. Chem. 1993. 14: 1347. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112
18. Cass M.E., Hii K.K., Rzepa H.S. Mechanisms that interchange axial and equatorial atoms in fluxional processes: illustration of the berry pseudorotation, the turnstile, and the lever mechanisms via animation of transition state normal vibrational modes // J. Chem. Educ. 2006. 83 (2): 336. https://doi.org/10.1021/ed083p336.2
19. Chuiko A.A. Medical chemistry and clinical applications of silicon dioxide. (Kiev: Naukova Dumka, 2003). [in Russian]
20. Jensen F. Introduction to Computational Chemistry. (Odense: John Wiley & Sons. 2007).
21. Saenger W., Lindner K. OH clusters with homodromic circular arrangement of hydrogen bonds // Angew. Chem. Int. Ed. 1980. 19: 398. https://doi.org/10.1002/anie.198003981
22. Xantheas S.S. Cooperativity and hydrogen bonding network in water clusters // Chem. Phys. 2000. 258: 225. https://doi.org/10.1016/S0301-0104(00)00189-0
23. Saenger W. Circular hydrogen bonds // Nature. 1979. 279: 343. https://doi.org/10.1038/279343a0
