Просторова будова та електронні спектри поглинання наночастинок неорганічного пігменту ортованадату бісмуту
Анотація
В останні роки увагу дослідників було зосереджено на створенні і дослідженні властивостей експериментальними та теоретичними методами порівняно малотоксичних пігментів на основі мішаних оксидів, зокрема, жовтого ортованадату бісмуту BiVO4. У роботі виконано систематичний квантовохімічний аналіз просторової будови та енергетичних характеристик, а також електронних спектрів поглинання молекулярних моделей цієї речовини зі структурою циркону ZrSiO4, які складаються з 1–14 формульних одиниць. Будова і властивості розглянутих молекулярних моделей вивчались методом теорії функціоналу електронної густини у стаціонарному (DFT) та нестаціонарному (TDDFT) варіантах з базисним набором SBKJC із використанням програмного комплексу PC GAMESS. Рівноважні молекулярні моделі містять трикоординовані атоми кисню, які сусідять з тетракоординованими атомами ванадію та октакоординованими атомами бісмуту (частина атомів бісмуту на поверхні кластера можуть мати менші координаційні числа). Прості ланцюги ортованадату бісмуту, які включають 1, 2 та 3 формульні одиниці речовини, надто малі, аби відбивати властивості поліморфних модифікацій речовини. В модельних структурах, утворених близько розташованими простими ланцюгами, координаційне число атомів ванадію залишається рівним 4, а їхня довжина становить 1.692–1.723 Å, тоді як атоми бісмуту підвищують координаційне число аж до 8 (при цьому довжина 6 зв’язків Bi–O збільшується до 2.300–2.460 Å і додається пара коротких контактів 2.900 Å). Ширина енергетичної щілини цих частинок зменшується, що відповідає батохромному зсуву максимумів в електронних спектрах поглинання моделей, і з’являються максимуми у видимому діапазоні, які відповідають жовтому забарвленню, що узгоджується з експериментом. Домішкова фаза ортованадату бісмуту в ізоструктурному середовищі безбарвного циркону моделювалась структурою, що містить 14 формульних одиниць. Із результатів розрахунків випливає, що моделі з висококоординованими атомами бісмуту в центрі кластера мають майже однакові величини енергетичної щілини, а у відповідних електронних спектрах поглинання наявні вузькі смуги, що відповідають жовто-оранжевому забарвленню, а розведення ортованадату бісмуту в ізоструктурній матриці циркону підвищує інтенсивність забарвлення пігменту.
Посилання
Pfaff G. The world of inorganic pigments. ChemTexts. 2022. 8(3): 15. https://doi.org/10.1007/s40828-022-00166-1
Sleight A. W., Chen N.-Y., Feretti A., Cox D. E. Crystal growth and structure of BiVO4. Mat. Res. Bull. 1979. 14: 1571. https://doi.org/10.1016/0025-5408(72)90227-9
Trinh D. T. T., Khanitcaidecha W., Channei D., Nakaruk A. Synthesis, characterization an environmental applications of bismuth vanadate. Res. Chem. Intermed. 2019. 45: 5217. https://doi.org/10.1007/s11164-019-03912-2
Zhou D., Pang L. X., Wang D. W., Reaney I. M. BiVO4 based high k microwave dielectric materials: a review. J. Mater. Chem. C. 2018. 6(35): 9290. https://doi.org/10.1039/C8TC02260G
Thalluri S. R. M., Martinez-Suarez C., Virga A., Russo N., Saracco G. Insights from Crystal Size and Band Gap on the Catalytic Activity of Monoclinic BiVO4. IJCEA. 2013. 4(5): 305. https://doi.org/10.7763/IJCEA.2013.V4.315
Ran R., McEvoy J.G., Zhang Z. Synthesis and Optimization of Visible Light Active BiVO4. Photocatalysts for the Degradation of RhB. Int. J. Photoenergy. 2015. 1: 612857. https://doi.org/10.1155/2015/612857
Yi W. The Structural and Electronic Properties of BiVO4 with Several Different Dopants: Ph. M. Thesis. (Australia's Global University, 2019).
Yuan Y., Huang Y., Ma F., Zhang Z., Wei X., Zhu G. Structural stability, band structure and optical properties of different BiVO4 phases under pressure. J. Mater. Sci. 2016. 51: 6662. https://doi.org/10.1007/s10853-016-9951-2
Zhao Z., Li Z., Zou Z. Electronic structure and optical properties of monoclinic clinobisvanite BiVO4. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011. 13(10): 4746. https://doi.org/10.1039/c0cp01871f
Grebenyuk A. G. Molecular models for hypervalent inorganic compounds. Scientific Notes of NaUKMA. Chemical Sciences. 2000. 18: 25 [in Ukrainian].
Becke A. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. J. Chem. Phys. 1993. 98(7): 5648.
https://doi.org/10.1063/1.464913
Barca G. M. J., Bertoni C., Carrington L., Datta D., DeSilva N., Deustua J. E., Fedorov D. G., Gour J. R., Gunina A. O., Guidez E., Harville T., Irle S., Ivanic J., Kowalski K., Leang S. S., Li H., Li W., Lutz J. J., Magoulas I., Mato J., Mironov V., Nakata H., Pham B. Q., Piecuch P., Poole D., Pruitt S. R., Rendell A. P., Roskop L. B., Ruedenberg K., Sattasathuchana T., Schmidt M. W., Shen J., Slipchenko L., Sosonkina M., Sundriyal V., Tiwari A., Vallejo J. L. G., Westheimer B., Włoch M., Xu P., Federico Zahariev F., Gordon M. S. Recent Developments in the General Atomic and Molecular Electronic Structure System. J. Chem. Phys. 2020. 152: 154201. https://doi.org/10.1063/5.0005188
Runge E., Gross E. K. U. Density-Functional Theory for Time-Dependent Systems. Phys. Rev. Lett. 1984. 52(12): 997. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.52.997
Horsth D. F. L., Primo J., Balaba N., Anaissi F. J., Bittencourt C. Mixed oxides with corundum-type structure obtained from recycling can seals as paint pigments: color stability. Beilstein Journal of Nanotechnol. 2023. 14(1): 467. https://doi.org/10.3762/bjnano.14.37
Авторське право (c) 2025 А. Г. Гребенюк
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
- 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.
