Nghiên cứu các đặc tính hấp phụ khí của đơn lớp Sc2CO2 bằng các tính toán DFT

Bài viết "Nghiên cứu các đặc tính hấp phụ khí của đơn lớp Sc2CO2 bằng các tính toán DFT" nghiên cứu các đặc tính hấp phụ khí N2, H2, O2, NO, NO2, CO, CO2 và SO2 trên đơn lớp Sc2CO2 dựa trên các tính toán từ lý thuyết phiếm hàm mật độ. Các đặc điểm cấu trúc của đơn lớp Sc2CO2 sau khi hấp phụ các khí khác nhau đã được làm sáng tỏ. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu các đặc tính hấp phụ khí của đơn lớp Sc2CO2 bằng các tính toán DFT Nghiên cứu các đặc tính hấp phụ khí của đơn lớp Sc2CO2 bằng các tính toán DFT Pham Dinh Khang1,*, Hoang Van Ngoc2 1 Viện Kỹ thuật cơ giới quân sự 2 Viện Phát triển Ứng dụng, Đại học Thủ Dầu Một E-mail: dinhkhang307@gmail.com; ngochv@tdmu.edu.vn TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã nghiên cứu các đặc tính hấp phụ khí N2, H2, O2, NO, NO2, CO, CO2 và SO2 trên đơn lớp Sc2CO2 dựa trên các tính toán từ lý thuyết phiếm hàm mật độ. Các đặc điểm cấu trúc của đơn lớp Sc2CO2 sau khi hấp phụ các khí khác nhau đã được làm sáng tỏ. Các vị trí hấp phụ ưa thích cho từng khí được tính toán và xác định. Các phân tử CO2, CO, H2 và N2 bị hấp phụ vật lý trên đơn lớp Sc2CO2. Các phân tử NO, SO2, NO2 và O2 bị hấp phụ hóa học trên đơn lớp Sc2CO2. Việc hấp phụ hóa học các phân tử O2, vốn là một thành phần cơ bản của không khí, làm thay đổi rõ rệt các tính chất điện tử của đơn lớp Sc2CO2. Điều này làm hạn chế triển vọng ứng dụng đơn lớp Sc2CO2 trong cảm biến khí hoặc thu giữ khí độc như khí SO2 và NO. Từ khóa: tính toán DFT, hấp phụ khí, đơn lớp Sc2CO2, tính chất điện tử, cảm biến khí Gas adsorption on Sc2CO2 monolayer: A DFT study Pham Dinh Khang1,*, Hoang Van Ngoc2 1 Institute of Military Mechanical Engineering 2 Institute of Applied Technology, Thu Dau Mot University ABSTRACTS In this study, we studied the adsorption properties of N2, H2, O2, NO, NO2, CO, CO2 and SO2 on the Sc2CO2 monolayer based on DFT calculations. The structural features of the Sc2CO2 monolayer after adsorption of different gases have been elucidated. The preferred adsorption sites for each gas are determined. The CO2, CO, H2 and N2 molecules are physisorbed on the monolayer Sc2CO2. The NO, SO2, NO2 and O2 molecules are chemisorbed on the Sc2CO2 monolayer. The chemical adsorption of O2 molecules, which is a fundamental component of air, 39 markedly changes the electronic properties of the Sc2CO2 monolayer. This limits the prospects for application of the Sc2CO2 monolayer in gas sensing or capturing toxic gases such as SO2 and NO. Keywords: DFT calculation, gas adsorption, Sc2CO2 monolayer, electronic properties, gas sensor. 1. Giới thiệu Nhờ cấu trúc, các tính chất điện tử độc đáo và diện tích bề mặt lớn, vật liệu 2D là ứng cử viên đầy triển vọng cho nhiều ứng dụng điện tử, xúc tác và năng lượng [1-7]. Việc tổng hợp, nghiên cứu các tính chất và ứng dụng của các vật liệu 2D mới đang trở thành một trong những lĩnh vực thú vị của khoa học và công nghệ. Các đơn lớp graphene, boron nitride, dichalcogenides của kim loại chuyển tiếp và phosphorene đã được chế tạo thành công từ các cấu trúc có các phân lớp liên kết yếu (van der Waals) của chúng [4, 6]. MXenes được phát hiện lần đầu tiên vào năm 2011 [8], đến nay đã trở thành đối tượng nghiên cứu rất được quan tâm của nhiều nhóm các nhà khoa học vật liệu trên thế giới. Việc tổng hợp MXenes từ các hợp chất ba chiều (3D) đã trở nên khả thi nhờ việc kết hợp phương pháp phân tách lớp trong dung dịch hóa học và siêu âm [8, 9]. MXenes có cấu trúc dạng Mn+1Xn, trong đó: “M” là một kim loại chuyển tiếp (Sc, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, hoặc Mo), “X” là carbon hoặc nitro và n = 1, 2 hoặc 3. Khi tổng hợp MXenes từ Mn+1AXn (pha MAX) trong dung dịch axit HF, các lớp “A” có liên kết yếu với các lớp “M” và “X” sẽ bị thay thế bằng các nhóm kết thúc bề mặt (-Tx) và tạo thành các lớp MXenes riêng biệt [8]. Tùy thuộc vào môi trường axit, các nhóm kết thúc bề mặt có thể là -O, -OH hoặc -F và chúng có những ảnh hưởng nhất định đến tính chất của vật liệu. Một số kim loại chuyển tiếp khác (Mo, Cr) cũng có thể được thêm vào thành phần hóa học của MXenes tạo thành MXenes của hai kim loại chuyển tiếp để điều chỉnh tính chất điện-lý-hóa của loại vật liệu này [8, 10-13]. Nhờ vào tính đa đạng về thành phần hóa học và khả năng điều chỉnh trật tự bề mặt cùng với những tính chất đặc biệt như diện tích bề mặt lớn, tính ưa nước, khả năng hấp phụ và độ phản ứng bề mặt cao, MXenes được đánh giá là vật liệu sáng giá ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như lưu trữ năng lượng (pin Li-ion [14-17] và siêu tụ điện [18, 19]), vật liệu composite [20, 21], quang xúc tác [3, 22, 23], thiết bị thu giữ khí và cảm biến khí [24, 25]. 40 Hấp phụ khí là hướng nghiên cứu liên quan trực tiếp đến các ứng dụng cảm biến khí, thu giữ khí và lọc khí. MXenes có tiềm năng ứng dụng cho cảm biến khí do cơ chế truyền điện tích trực tiếp [26]. Các thí nghiệm của Persson Ingemar và các công sự [1] đã cho thấy Ti3C2 MXenes là chất rắn hấp phụ phù hợp để thu trữ CO2. MXenes dạng Ti3C2Tx có thể hấp phụ CO2 ở áp suất thấp lên đến ≈12 mol/kg, tức là vượt trội so với các chất hấp phụ CO2 hiện nay, đồng thời vật liệu đơn lớp rắn này lại không có ái lực đối với N2 [1]. Hơn nữa, các cảm biến từ đơn lớp Ti3C2 có thể phát hiện thành công các khí như ethanol, metanol, acetone và ammonia ở nhiệt độ phòng [27]. Điều này đem đến hướng phát triển các thiết bị điện tử nhỏ gọn có thể nhận biết khí ở nhiệt độ phòng nhằm góp phần vào các chuẩn đoán chăm sóc sức khỏe và ứng dụng môi trường khác nhau. Nhờ vào hiệu suất hấp phụ cao, tính chọn lọc hấp phụ CO2 so với N2, cùng với độ ổn định hóa học và nhiệt học, MXene Ti3C2Tx trở thành vật liệu mới có thể ứng dụng trong việc thu trữ và chuyển đổi CO2 nhằm làm giảm lượng khí thải CO2 đang ngày càng tăng tro ...