Стійкість одноатомних комплексів заліза на графені з подвійною вакансією
Анотація
Методом DFT (B3LYP) у базисі 6-31 G** із залученням поправок Гріме (для врахування дисперсійних взаємодій) розглянуто рівноважну та просторову будову молекули поліциклічного ароматичного вуглеводню С96Н24, яка обрана як модель графенової площини, а також систем, отриманих з неї видаленням двоатомної молекули С2 (С94Н24) з наступною заміною чотирьох атомів Карбону на чотири атоми Нітрогену (С90N4Н24). У цьому ж наближенні вивчено енергетику утворення комплексу атома заліза в нульовому ступені окиснення (Fe0) з С90N4Н24 ([С90N4Н24Fe]0) у пласкому квадратному полі ліганда. Визначено типи молекулярних орбіталей ліганда, які за симетрією відповідають симетрії атомних d-орбіталей атома Fe. Побудовано діаграми взаємодії
d-орбіталей атома заліза з деякими молекулярними орбіталями ліганда С90N4Н24 відповідної симетрії. Зроблено висновок про те, що зв'язування атома перехідного металу на подвійній вакансії графенової площини можливо раціонально описати, виходячи з локальної симетрії координаційного центру і молекулярних орбіталей ліганда та утвореного комплексу.
Посилання
1. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S.V., Grigorieva I.V., Firsov A.A. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 2004. 306(5696): 666. https://doi.org/10.1126/science.1102896
2. Castro Neto A.H., Guinea F., Peres N.M.R., Novoselov K.S., Geim A.K. The electronic properties of graphene. Rev. Modern Phys. 2009. 81(1):109. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.109
3. Geng, D. S., Chen Y., Chen Y.G. Li Y.L., Li R.Y., Sun X.L., Ye S.Y., Knights S. High oxygen-reduction activity and durability of nitrogen-doped graphene. Energy Environ. Sci. 2011. 4: 760. https://doi.org/10.1039/c0ee00326c
4. Shao Y.Y., Zhang S., Engelhard M.H., Li G.S., Shao G.C., Wang Y., Liu J., Aksay I.A., Lin Y.H. Nitrogen-doped graphene and its electrochemical applications. J. Mater. Chem. 2010. 20(35): 7491−7496. https://doi.org/10.1039/c0jm00782j
5. Javey A., Guo J., Farmer D.B., Wang Q., Wang D., Gordon R.G., Lundstrom M., Dai H. Carbon nanotube field-effect transistors with integrated ohmic contacts and high-κ gate dielectrics. Nano Lett. 2004. 4(3): 447-450. https://doi.org/10.1021/nl035185x
6. Karpan V.M., Giovannetti G., Khomyakov P.A., Talanana M., Starikov A.A., Zwierzycki M., van den Brink J., Brocks G., Kelly P.J. Graphite and graphene as perfect spin filters. Phys. Rev. Let. 2007. 99(17): 176602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.176602
7. Tombros N., Jozsa C., Popinciuc M., Jonkman H.T., van Wees B.J. Electronic spin transport and spin precession in single graphene layers at room temperature. Nature. 2007. 448(7153): 571-574. https://doi.org/10.1038/nature06037
8. Rumyantsev S., Liu G., Shur M.S., Potyrailo R.A., Balandin A.A. Selective gas sensing with a single pristine graphene transistor. Nano Lett. 2012. 12(5): 2294-2298. https://doi.org/10.1021/nl3001293
9. Jebreiil Khadem S.M., Abdi Y., Darbari S., Ostovari F. Investigating the effect of gas absorption on the electromechanical and electrochemical behavior of graphene/ZnO structure, suitable for highly selective and sensitive gas sensors. Curr. Appl. Phys. 2014. 14(11): 1498-1503. https://doi.org/10.1016/j.cap.2014.07.020
10. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Katsnelson M.I., Grigorieva I.V., Dubonos S.V., Firsov A.A. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature. 2005. 438: 197-200. https://doi.org/10.1038/nature04233
11. Banhart F., Kotakoski J., Krasheninnikov A.V. Structural defects in graphene. ACS Nano. 2011. 5(1): 26-41. https://doi.org/10.1021/nn102598m
12. Krasheninnikov A.V., Lehtinen P.O., Foster A.S., Nieminen R.M. Bending the rules: contrasting vacancy energetics and migration in graphite and carbon nanotubes. Chem. Phys. Lett. 2006. 418: 132-136. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2005.10.106 https://doi.org/10.1016/j.cplett.2005.10.106
13. Rossato J., Baierle R.J., Fazzio A., Mota R. Vacancy formation process in carbon nanotubes: first-principles approach. Nano Lett. 2005. 5(1): 197-200.https://doi.org/10.1021/nl048226d
14. El-Barbary A.A., Telling R.H., Ewels C.P., Heggie M.I., Briddon P.R. Structure and energetics of the vacancy in graphite. Phys. Rev. B. 2003. 68(14): 144107. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.144107 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.144107
15. Gerber I.C., Serp P. A theory/experience description of support effects in cabon-supported catalyst. Chem. Rev. 2020. 120(2): 1250-1349. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00209
16. Santos E.J.G., Ayuela A., Sánchez-Portal D. First-principles study of substitutional metal impurities in graphene: structural, electronic and magnetic properties. New J. Phys. 2010. 12: 053012. https://doi.org/10.1088/1367-2630/12/5/053012 https://doi.org/10.1088/1367-2630/12/5/053012
17. Hou C. , Wang J., Du W., Wang J., Du Y., Liu C., Zhang J., Hou H., Dang F., Zhao L., Guo Z. One-pot synthesized molybdenum dioxide-molybdenum carbide heterostructures coupled with 3D holey carbon nanosheets for highly efficient and ultrastable cycling lithium-ion storage. J. Mater. Chem. A. 2019. 7(22): 13460-13472.https://doi.org/10.1039/C9TA03551F
18. Kumar R., Kumar R.S., Pratap D.S., Joanni E., Manohar R.Y., Moshkalev S.A. Laser-assisted synthesis, reduction and micro-patterning of graphene: Recent progress and applications Author links open overlay panel. Coord. Chem. Rev. 2017. 342: 34-79. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2017.03.021
19. Le K., Wang Z., Wang F., Wang Q., Shao Q., Murugadoss V., Wu S., Liu W., Liu J., Gao Q., Guo Z. Sandwich-like NiCo layered double hydroxide/reduced graphene oxide nanocomposite cathodes for high energy density asymmetric supercapacitors. Dalton Trans. 2019. 48(16): 5193-5202. https://doi.org/10.1039/C9DT00615J
20. Grasseschi D., Silva W.C., de Souza Paiva R., Starke L.D., do Nascimento A.S. Surface coordination chemistry of graphene: Understanding the coordination of single transition metal atoms. Coord. Chemi. Rev. 2020. 422: 213469. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2020.213469
21. Wood J.S. Ligand Field Theory. Nature. 1970. 226: 1067-1068. https://doi.org/10.1038/2261067c0
22. Zuckerman J.J. Crystal field splitting diagrams. J. Chem. Educ. 1965. 42(6): 315. https://doi.org/10.1021/ed042p315
23. Liehr A.D. A comparison of theories: Molecular orbital, valence bond, and ligand field. J. Chem. Educ. 1962. 39(3): 135. https://doi.org/10.1021/ed039p135
24. Becke A.D. Density functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. J. Chem. Phys. 1993. 98(7): 5648-5652. https://doi.org/10.1063/1.464913
25. Lee C., Yang W., 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
26. Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K.A., Su S., Windus T.L., Dupuis M., Montgomery Jr J.A. General atomic and molecular electronic structure system. J. Comput. Chem. 1993. 14(11): 1347-1363. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112
27. Grimme S., Ehrlich S., Goerigk L. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory. J. Comput Chem. 2011. 32(7): 1456-1465.https://doi.org/10.1002/jcc.21759
28. Grimme S. Density functional theory with London dispersion corrections. WIREs Comput. Mol. Sci. 2011. 1(2): 211-228. https://doi.org/10.1002/wcms.30
29. Horonovskyi Y.T., Nazarenko Yu.P., Nekriach E.F. Kratkyi spravochnyk po khymyy. Piatoe yzdanye. (Kyev: Naukova Dumka, 1987). [in Russian].
