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
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
