Гетероатоми Si, P, S як можливі фактори формування структури піролізованих вуглецевих матеріалів
Анотація
Метою роботи було дослідити вплив гетероатомів на деформацію площин графенів, а також на утворення дефекту Стоуна-Уолеса. На сьогоднішній день актуальними є дослідження процесів, що відбуваються за участі нановуглецевих матеріалів. Зокрема при утворенні фулеренів, нанооніонів та ряду інших наноформ вуглецю найважливішу роль у викривленні спочатку плоских графенових листів та формуванні фулереноподібних структур у вигляді замкнутих, каркасних, макромолекулярних утворень відіграють п'ятичленні вуглецеві цикли (пентагони) – дефекти гексагональної структури. Слід, проте, відзначити, що пентагони є далеко не єдиними чинниками спотворення плоскої структури графенових листів у шаруватих вуглецевих матеріалах. Аналогічну роль тією чи іншою мірою можуть відігравати деякі інші дефекти вуглецевої решітки (зокрема семичлені вуглецеві цикли і гетероатоми ряду неметалів з ковалентними радіусами, які перевищують радіус атома вуглецю). Згадані гетероатоми (насамперед Si, P, S) входять, як правило, до складу прекурсорів мінерального або рослинного походження і можуть вбудовуватися у вуглецеву решітку в процесі одержання вугілля. Оскільки викривлення плоскої вуглецевої сітки під впливом пентагонів та гептагонів протилежні за напрямом, при формуванні дефекту Стоуна-Уолеса має місце їх взаємна компенсація та збереження плоскої структури. Розрахунки проведені за допомогою квантово-хімічного моделювання допованих нанографенів кластерами різного розміру, складу та морфології, методом теорії функціонала густини (DFT) з обмінно-кореляційним функціоналом B3LYP, на основі розширеного валентно-розщепленого базису 6-31G(d) з повною оптимізацією геометрії кластерів в рамках програмного комплексу Firefly. Встановлено, що гетероатоми неметалів з ковалентними радіусами, що перевищують радіус атома C, які зазвичай присутні у складі прекурсорів мінерального або рослинного походження, що використовуються для отримання піролізованих вуглецевих матеріалів, можуть відігравати істотну роль в енергетиці утворення ряду наноформ вуглецю, активного вугілля та інших піролізованих наноструктурних вуглецевих матеріалів.
Посилання
1. Kroto H.W., Heath J.R., O'Brien S.C., Curl R.F., Smalley R.E. C60: Buckminsterfullerene. Nature, 1985, 318, p. 162-163. https://doi.org/10.1038/318162a0
2. Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature, 1991, 354, p. 56-58. https://doi.org/10.1038/354056a0
3. 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, p. 666-669. https://doi.org/10.1126/science.1102896
4. Delgado J.L., Herranz M.A., Martin N. The nano-forms of carbon // J. Mater. Chem. 2008, 18, p. 1417-1426. https://doi.org/10.1039/b717218d
5. Stöberl U., Wurstbauer U., Wegscheider W., Weiss D., Eroms J. Morphology and flexibility of graphene and few-layer graphene on various substrates. Appl. Phys. Lett. 2008, 93, p. 051906 (1-6). https://doi.org/10.1063/1.2968310
6. Sharon Maheshwar, Sharon Madhuri. Carbon nanomaterials: application in physic.-chemical systems and biosystems. Defence Sci. J. 2008, 58, N4, p. 460-485. https://doi.org/10.14429/dsj.58.1668
7. Maser W.K., Muños E., Benito A.M., Martinez M.T., de la Fuente G.F., Maniette Y., Anglaret E., Sauvajol A.-L. Production of high-density single-walled nanotube material by simple laser-ablation method. Chem. Phys. Lett. 1998, 292, N4-6, p. 587-593. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(98)00776-3
8. Shibuya M., Kato M., Ozawa M., Fang P.H., Osawa E. Detection of buckminsterfullerene in usual soots and commercial charcoals. Fullerenes, nanotubes and carbon nanostructures. 1999, 7, p. 181-193. https://doi.org/10.1080/10641229909350278
9. Hata T., Imamura Y., Kobayashi E., Yamane T., Kikuchi K. Onion-like graphitic particles observed in wood charcoal. J. Wood Sci. 2000, 46, N1. p. 89-92. https://doi.org/10.1007/BF00779560
10. Zheng J., Ekström T.C., Gordeev S.K., Jacob M. Carbon with onion-like structure obtained by chlorinating titanium carbide. J. Mater. Chem. 2006, 10, p. 1039-1041. https://doi.org/10.1039/b000038h
11. Lange's Handbook of Chemistry. Fifteenth ed., McGraw-Hill Inc., New York et al (1999) 1561 p.
12. Becke A.D. Density-functional exchange-energy approximation with correct asymptotic behavior. Phys. Rev. A. 1988, 38, N6, p. 3098-3100. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.38.3098
13. 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
14. 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.J., Windus T.L., Dupuis M., Montgomery J.A. General atomic and molecular electronic structure system. J. Comput. Chem. 1993. 14(11): 1347. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112
15. Stone A.J., Wales D.J. Theoretical studies of icosahedral C60 and some related species. Chem. Phys. Lett. 1986, 128, N5-6, p. 501-503. https://doi.org/10.1016/0009-2614(86)80661-3
16. Harris P.J.F. New perspectives on the structure of graphitic carbons. Critical reviews in solid state and materials sciences. 2005, 30, p. 235-253. https://doi.org/10.1080/10408430500406265
17. Allen M.J., Tung V.C., Kaner R.B. Honeycomb carbon: A review of graphene. Chem. Rev. 2010, 110, p. 132-145. https://doi.org/10.1021/cr900070d
