Квантовохімічне дослідження фізико-хімічних характеристик наноматеріалів на основі діоксиду Sn
Анотація
Побудовано молекулярні моделі наночастинок діоксиду стануму, які містять 1 – 10 атомів металу і можуть включати координовану або конституційну воду. Методом теорії збурень Меллера – Плессета другого порядку з валентним базисним набором SBKJC розраховано їхню рівноважну просторову структуру та електронну будову. Показано, що довжина зв’язку Sn–O в нанокластерах не залежить від їхнього розміру та координаційного числа атомів Sn, а визначається координаційним типом сусідніх атомів Оксигену. А саме, довжина зв’язку Sn–O (3) (~ 2.10 Å) > довжини зв’язку Sn–O (2) (~ 1.98 Å). Одержані довжини зв’язку Sn–O (3) добре узгоджуються із експериментальними значеннями для кристалічних зразків SnO2 (2.05 Å). Розрахована енергія атомізації для SnO2 складає 1661 кДж/моль і задовільно відповідає експериментально виміряній питомій енергії атомізації кристалічного SnO2 (1381 кДж/моль). Встановлено, що задовільне відтворення екпериментальних характеристик кристалічного діоксиду стануму можливе при використанні кластерів, які містять щонайменше 10 атомів Cтануму, наприклад, (SnO2)10×14H2O. На підставі аналізу енергетичних ефектів координації молекул води та гідроксид-іона, видалення протона та його перенесення на гідратованій поверхні діоксиду стануму зроблено кількісні оцінки кислотно-основних характеристик активних центрів поверхні SnO2. Виявлено залежність кислотності гідроксильних груп та координованих молекул води від координаційного числа атома Оксигену та сусіднього атома Стануму, а також від розмірів кластерної моделі. Показано, що кислотність протонних та апротонних центрів закономірно зменшується при збільшенні координаційного числа атома Стануму. Використана в роботі методика розрахунку величини рКа найменшої моделі складу SnO2×H2O дозволяє відтворити експериментальні дані для станатних кислот. Запропоновано механізми формування найпростіших наноструктур з вихідних форм гідрооксиду стануму Sn(OH)4. Показано, що енергетично найбільш вигідним є утворення димера (SnO2)2×4H2O при асоціації двох молекул Sn(OH)4. Подальші перетворення наночастинок призводять до збільшення їхніх розмірів, дегідратації та утворення більш щільних структур, які мають ознаки кристалічності, властиві твердофазному SnO2.
Посилання
1. Alhalili Z. Metal oxides nanoparticles: general structural description, chemical, physical, and biological synthesis methods, role in pesticides and heavy metal removal through wastewater treatment. Molecules. 2023. 28(7): 3086. https://doi.org/10.3390/molecules28073086
2. Orlandi M.O. Tin Oxide Materials. Synthesis, Properties, and Applications. (Elsevier Inc, 2020). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-815924-8.00001-3
3. Batzill M., Diebold U. The surface and materials science of tin oxide. Prog. Surf. Sci. 2005. 79(2-4): 47. https://doi.org/10.1016/j.progsurf.2005.09.002
4. Sidorenko T.V., Poluyanska V.V. Tin dioxide: structure, properties, applications and prospects for further study of its capillary properties. Adhesion of melts and soldering of mater. 2015. 48: 15 [in Ukrainian].
5. Sanon G., Rup R., Mansingh A. Band-gap narrowing and band structure in degenerate tin oxide (SnO2) films. Phys. Rev. B. Condens Matter. 1991. 44(11): 5672. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.44.5672
6. Tan L., Wang L., Wang Y. Hydrothermal synthesis of SnO2 nanostructures with different morphologies and their optical properties. J. Nanomater. 2011. 2011(23): 1. https://doi.org/10.1155/2011/529874
7. Das S., Jayaraman V. SnO2: A comprehensive review on structures and gas sensors. Prog. Mat. Sci. 2014. 66: 112. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2014.06.003
8. Dalapati G.K., Sharma H., Guchhait A., Chakrabarty N., Bamola P., Liu Q., Sharma M. Tin oxide for optoelectronic, photovoltaic and energy storage devices: a review. J. Mat. Chem. A. 2021. 9(31): 16621. https://doi.org/10.1039/D1TA01291F
9. Lee S.-Y., Park K.-Y., Kim W.-S., Yoon S., Hong S.-H., Kang K., Kim M. Unveiling origin of additional capacity of SnO2 anode in lithium-ion batteries by realistic ex situ TEM analysis. Nano Energy. 2016. 19: 234. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2015.10.026
10. Odani A., Nimberger A., Markovsky B., Sominski E., Levi E., Kumar V.G. Development and testing of nanomaterials for rechargeable lithium batteries. J. Power Sources. 2003. 119-121: 517. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(03)00276-3
11. Xu X., Zhang R., Zeng X., Han X., Li Y., Liu Y., Wang X. Effects of La, Ce, and Y oxides on SnO2 catalysts for CO and CH4 oxidation. Chem. Cat. Chem. 2013. 5(7): 2025. https://doi.org/10.1002/cctc.201200760
12. Liberkova K., Touroude R. Performance of Pt/SnO2 catalyst in the gas phase hydrogenation of crotonaldehyde. J. Mol. Catal. A Chem. 2002. 180(1-2): 221. https://doi.org/10.1016/S1381-1169(01)00439-3
13. Manjunathan P., Marakatti V.S., Chandra P., Kulal A.B., Umbarkar S.B., Ravishankar R. Mesoporous tin oxide: an efficient catalyst with versatile applications in acid and oxidation catalysis. Catal. Today. 2018. 309: 61. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2017.10.009
14. Ray S., Dutta J., Barua A.K. Bilayer SnO2:In/SnO2 thin films as transparent electrodes of amorphous silicon solar cells. Thin Solid Films. 1991. 199(2): 201. https://doi.org/10.1016/0040-6090(91)90001-E
15. Tran V.-H., Ambade R.B., Ambade S.B., Lee S.-H., Lee I.-H. Low-temperature solution-processed SnO2 nanoparticles as a cathode buffer layer for inverted organic solar cells. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. 9(2): 1645. https://doi.org/10.1021/acsami.6b10857
16. Valitova I., Natile M.M., Soavi F., Santato C., Cicoira F. Tin dioxide electrolyte-gated transistors working in depletion and enhancement modes. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. 9(42): 37013. https://doi.org/10.1021/acsami.7b09912
17. Granqvist C.G. Transparent conductors as solar energy materials: A panoramic review. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2007. 91(17): 1529. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2007.04.031
18. Zheleznyak A.R., Bakalinskaya O.M., Brychka A.V., Kalenyuk G.O., Kartel M.T. Properties, methods of obtaining and applying nanoxide of stanum. Surface. 2020. 12(27): 193 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2020.12.193
19. Nagirnyak S.V., Dontsova T.A., Astrelin I.M. One-dimensional tin (IV) oxide nanostructures as gas-sensing materials. J. KPI Science News. 2015. 5: 119.
20. Rzaij J.M., Nawaf S.O., Ibrahim A.K. A review on tin dioxide gas sensor: The role of the metal oxide doping, nanoparticles, and operating temperatures. World J. Adv. Res. Rev. 2022. 14(01): 051. https://doi.org/10.30574/wjarr.2022.14.1.0288
21. Kumar R., Mamta, Kumari R., Singh V.N. SnO2-Based NO2 gas sensor with outstanding sensing performance at room temperature. Micromachines. 2023. 14(4): 728. https://doi.org/10.3390/mi14040728
22. Kong Y., Li Y., Cui X., Su L., Ma D., Lai T., Yao L., Xiao X., Wang Y. SnO2 nanostructured materials used as gas sensors for the detection of hazardous and flammable gases: A review. Nano Materials Science. 2022. 4(4): 339. https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2021.05.006
23. Luo S., Fan J., Liu W., Zhang M., Song Z., Lin C., Wu X., Chu P.K. Synthesis and low-temperature photoluminescence properties of SnO2 nanowires and nanobelts. Nanotechnology. 2006. 17(6): 1695. https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/6/025
24. Jin Z., Fei G.T., Cao X.L., Wang X.W. Fabrication and optical properties of mesoporous SnO2 nanowire arrays. J. Nanosci Nanotechnol. 2010. 10(8): 5471. https://doi.org/10.1166/jnn.2010.1949
25. Zhang Z., Gao J., Wong L.M., Tao J.G., Liao L., Zheng Z., Xing G.Z., Peng H.Y., Yu T., Shen Z.X., Huan C.H., Wang S.J., Wu T. Morphology-controlled synthesis and a comparative study of the physical properties of SnO2 nanostructures: from ultrathin nanowires to ultrawide nanobelts. Nanotechnology. 2009. 20(13): 135605. https://doi.org/10.1088/0957-4484/20/13/135605
26. Nagirnyak S.V. Ph.D (Technology of inorganic substances) Thesis. (Kyiv, 2018) [in Ukrainian].
27. Matysiak W., Tański T., Smok W., Polishchuk O. Synthesis of hybrid amorphous/ crystalline SnO2 1D nanostructures: investigation of morphology, structure and optical properties. Sci. Rep. 2020. 10(1): 14802. https://doi.org/10.1038/s41598-020-71383-2
28. Pan J., Shen H., Mathur S. One dimensional SnO2 nanosructures: synthesis and application. J. Nanotech. 2012. 2012: 1. https://doi.org/10.1155/2012/917320
29. Sain S., Kar A., Patra A., Pradhan S.K. Structural interpretation of SnO2 nanocrystals of different morphologies synthesized by microwave irradiation and hydrothermal methods. Cryst. Eng. Comm. 2014. 16(6): 1079. https://doi.org/10.1039/C3CE42281J
30. Hien V.X., Vuong D.D., Chien N.D. Synthesis of tin dioxide nanoparticles and nanorods by hydrothermal method and gas sensing characteristics. e-J. Surf. Sci. Nanotech. 2011. 27(9): 503. https://doi.org/10.1380/ejssnt.2011.503
31. Wan W., Li Y., Ren X., Zhao Y., Gao F., Zhao H. 2D SnO2 Nanosheets: synthesis, characterization, structures, and excellent sensing performance to ethylene glycol. Nanomaterials. 2018. 8(2): 112. https://doi.org/10.3390/nano8020112
32. Vasiliev R., Kurtina D., Udalova N., Platonov V., Nasriddinov A., Shatalova T., Novotortsev R., Li X., Rumyantseva M. SnS2 Nanosheets as a template for 2D SnO2 sensitive material: nanostructure and surface composition effects. Materials. 2022. 15(22): 8213. https://doi.org/10.3390/ma15228213
33. Ding S., Chen J.S., Qi G., Duan X., Wang Z., Giannelis E.P., Lou X.W. Formation of SnO2 hollow nanospheres inside mesoporous silica nanoreactors. J. Am. Chem. Soc. 2011. 133(1): 21. https://doi.org/10.1021/ja108720w
34. Sauer J. Molecular models in ab initio studies of solids and surfaces: from ionic crystals and semiconductors to catalyst. Chem. Rev. 1989. 89(1): 199. https://doi.org/10.1021/cr00091a006
35. Oviedo J., Gillan M.J. Energetics and structure of stoichiometric SnO2 surfaces studied by first-principles calculations. Surf. Sci. 2000. 463(2): 93. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(00)00612-9
36. Hong S.-N., Kye Y.-H., Yu C.-J., Jong U.-G., Ri G.-C., Choe C.-S., Han J.-M. Ab initio thermodynamic study of the SnO2 (110) surface in an O2 and NO environment: a fundamental understanding of the gas sensing mechanism for NO and NO2. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. 18(46): 31566 .https://doi.org/10.1039/C6CP05433A
37. Agamalyan M.A., Hunanyan A.A., Harutyunyan V.M., Aleksanyan M.S., Sayunts A.G., Zakaryan A.A. Studies of the interaction of H2O2 with the SnO2 (110) surface from first principles // Izvestia of the National Academy of Sciences of Armenia, Phys. 2020. 55(3): 358 [in Russian]. https://doi.org/10.3103/S1068337220030020
38. Korotcenkov G., Golovanov V., Brinzari V., Cornet A., Morante J., Ivanov M. Distinguishing feature of metal oxide films' structural engineering for gas sensor applications. J. Phys. 2005. 15: 256. https://doi.org/10.1088/1742-6596/15/1/043
39. Kılıç С., Zunger А. Origins of coexistence of conductivity and transparency in SnO2. Phys. Rev. Let. 2002. 88(9): 095501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.095501
40. Sensato F.R., Filho O.T., Longo E., Sambrano J.R., Andres J. Theoretical analysis of the energy levels indused by oxygen vacancies and the doping process (Co, Cu and Zn) on SnO2 (110) surface models. J. Mol. Struct. 2001. 541(1-3): 69. https://doi.org/10.1016/S0166-1280(00)00731-4
41. Abdulsattar M.A., Abed H.H., Jabbar R.H., Almaroof N.M. Effect of formaldehyde properties on SnO2 clusters gas sensitivity: A DFT study. J. Mol. Graph. Model. 2021. 102: 107791. https://doi.org/10.1016/j.jmgm.2020.107791
42. Zhao Z., Li Z. First-principle calculations on the structures and electronic properties of the CO-adsorbed (SnO2)2 clusters. Struc. Chem. 2020. 31(5): 1861. https://doi.org/10.1007/s11224-020-01554-4
43. Ducere J.-M., Hemeryck A., Esteve A., Rouhani M.D., Landa G., Menini P., Tropis C., Maisonnat A., Fau P., Chaudret B. A Computational chemist approach to gas sensors: modeling the response of SnO2 to CO, O2, and H2O gases. J. Comp. Chem. 2011. 33(3): 247. https://doi.org/10.1002/jcc.21959
44. Tingting S., Fuchun Z., Weihu Z. Density functional theory study on the electronic structure and optical properties of SnO2. Rare Metal Materials and Engineering. 2015. 44(10): 2409. https://doi.org/10.1016/S1875-5372(16)30031-5
45. Grebenyuk A.G. Molecular models of hypervalent inorganic compounds. Scientific Notes NaUKMA. Chemical sciences. 2000. 18: 25.
46. Bandura A.V., Sofo J.O., Kubicki J.D. Derivation of force field parameters for SnO2-H2O surface systems from plane-wave density functional theory calculations. J. Phys. Chem. B. 2006. 110(16): 8386. https://doi.org/10.1021/jp0523423
47. Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N.,Nguen 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
48. Filonenko O.V., Grebenyuk A.G., Terebinska M.I., Lobanov V.V. Quantum chemical simulation of acid-base properties of the surface of SnO2 nanoparticles. Chem. Phys. Tech. Surf. 2023. 14(4): 495. https://doi.org/10.15407/hftp14.04.495
49. Cohen N., Benson S.W. Estimation of heats of formation of organic compounds by additivity methods. Chem. Rev. 1993. 93(7): 2419. https://doi.org/10.1021/cr00023a005
50. Grebenyuk A.G., Zayets V.A., Gorlov Yu.I. Application of the methods of MPDP/3 and MPDP to the calculation of the enthalpy of formation of solids. Ukr. chem. journal. 1995. 61(9): 23 [in Russian].
51. Reznitsky L.A. Chemical bond and transformation of oxides (M.: Publishing house of Moscow State University, 1991) [in Russian].
52. Xia X. Formation mechanism of porous hollow SnO2 nanofibers prepared by one-step electrospinning. eXPRESS Polymer Letters. 2012. 6(2): 169. https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2012.18
53. Lu W., Schmidt H. Synthesis of Tin oxidehydrate (SnO2·xH2O) gelanditseffects on the hydrothermal preparationof BaSnO3powders. Advanced Powder Technology. 2008.19(1): 1. https://doi.org/10.1163/156855208X291666
54. Kőrösi L., Papp S., Meynen V., Cool P., Vansant E.F., Dékány I. Preparation and characterization of SnO2 nanoparticles of enhanced thermal stability: The effect of phosphoric acid treatment on SnO2·nH2O. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2005. 268(1-3): 147. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2005.05.074
55. Hattori T., Itoh S., Tagawa T., Murakami Y. High Selectivity of CVD SnO2/SiO2 catalyst for oxidative dehydrogenation of ethylbenzene. Studies in surface science and catalysis. 1987. 31: 113. https://doi.org/10.1016/S0167-2991(08)65401-4
56. White D.A., Rãutiu R. The sorption of anionic species on hydrous tin dioxide. Chemical Engineering Journal. 1997. 66(2) 85. https://doi.org/10.1016/S1385-8947(96)03163-4
57. Filonenko O., Grebenyuk A., Lobanov V. Condensation mehanisms of monomeric tin hydro-xide molecules and formation of polymorphic stannic acids: a quantum chemical study. In: 4th International Scientific Conference «Chemical Technology and Engineering»: Proceedings. (June 26-29th, 2023, Lviv, Ukraine). P. 47.
58. Filonenko O.V., Grebenyuk A.G., Lobanov V.V. The structure and relative stability of isomeric forms of staniumoxane molecules. In: Proceedings of the VIII All-Ukrainian Scientific Conference "Actual Problems of Chemistry: Research and Prospects". (2024, Zhytomyr, Ukraine). P. 147 [in Ukrainian].
59. Trachevsky V.V., Prudius S.V., Mylin A.M. Structural and functional self-organization of the ZrO2-SiO2:Sn(IV) system. Ukr. Chem. J. 2021. 87(12): 121 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.33609/2708-129X.87.12.2021.121-136
60. Filonenko O.V., Grebenyuk A.G., Terebinska M.I., Lobanov V.V. Quantum chemical simulation of acid-base properties of the surface of SnO2 nanoparticles. Chem. Phys. Tech. Surf. 2023. 14(4): 495. https://doi.org/10.15407/hftp14.04.495
61. Grebenyuk A.G. Dendrimers of tetravalent oxanes as models of their dioxide polymorphs // Surface. 2021. 13(28): 3 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2021.13.003
62. Pavelko R.G., Daly H., Hardacre C. Interaction of water, hydrogen and their mixtures with SnO2 based materials: the role of surface hydroxyl groups in detection mechanisms. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010. 12: 2639. https://doi.org/10.1039/b921665k
63. Abee M.W., Cox D.F. NH3 chemisorption on stoichiometric and oxygen-deficient SnO2 (110) surfaces. Surf. Sci. 2002. 520(1-2): 65. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(02)02247-1
64. Petro N.S., El-Naggar I.M., Shabana E.-S.I., Misak N.Z. On the behaviour of hydrous tin oxide as an ion exchanger: structural features, porous texture, capacity and apparent pK values. Colloids and Surfaces. 1990. 49: 219. https://doi.org/10.1016/0166-6622(90)80104-C
65. Demianenko E., Ilchenko M., Grebenyuk A., Lobanov V. A theoretical study on orthosilicic acid dissociation in water clusters. Chem. Phys. Lett. 2011. 515(4-6): 274. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2011.09.038
66. Kravchenko A.A., Demianenko E.M., Filonenko O.V., Grebenyuk A.G., Lobanov V.V., Terets M.I. A quantum chemical analysis of dependence of the protolytic properties of silica nanoparticles on the composition and spatial structures of their molecules. Surface. 2017. 9(24): 28. https://doi.org/10.15407/Surface.2017.09.028
67. Grebenyuk A.G. Coexistence of ionic pairs and molecular associates in nanoparticles of inorganic compounds. Surface. 2019. 11(26): 344 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2019.11.344
- 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.
