Физика и химия стекла. T. 45, Номер 4, 2019

  1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика и химия стекла
  4. T. 45, № 4, 2019

Физика и химия стекла, 2019, T. 45, № 4, стр. 389-391

Исследование адсорбции нанокластеров TiO на поверхности монослойного TiS2 методом ab initio с использованием алгоритмов случайного поиска структуры

М. Ю. Арсентьев 1, П. А. Тихонов 1, *, М. В. Калинина 1

1 Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН
199155 Санкт-Петербург, наб. Макарова, 2, Россия

* E-mail: tikhonov_p-a@mail.ru

Поступила в редакцию 16.11.2018
После доработки 04.02.2019
Принята к публикации 04.04.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Методом теории функционала электронной плотности в сочетании с алгоритмами случайного поиска структуры исследована адсорбция нанокластера TiO на поверхности монослойного TiS2. В результате исследования выявлено, что нанокластер представляет собой диполь Ti–O, который ориентируется в электростатическом поле, создаваемом атомами S вблизи поверхности монослойного TiS2. Энергия связи данного нанокластера с поверхностью монослойного TiS2 составляет 4.713 эВ. Другим интересным свойством является образование атомом Ti нанокластера анионного тетраэдра S–S–S–O, причем анион O оказывается на наибольшем удалении от поверхности.

Ключевые слова: двумерные материалы, нанокластеры, метод теории функционала электронной плотности, дисульфид титана

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время современные исследования свойств материалов с экспериментальными методами сопровождаются методом ab initio. Аb initio – это расчетные средства, используемые в настоящее время для квантово-механических расчетов физико-химических свойств многоатомных систем. Расчет свойств материала с привлечением лишь физических констант. Данный термин впервые был использован в работе Robert Parr и David Craig при изучении возбужденных состояний молекулы бензола [1].

В настоящее время для решения проблем катализа, медицины, энергетики внимание исследователей привлекают нанокомпозиты из нанокластеров, адсорбированных на носителях в ввиде двумерных материалов [2]. Интерес к данным объектам исследования обусловлен тем, что наночастицы в свободном состоянии подвержены растворению и агрегации в водных растворах с потерей интересных физико-химических свойств [3]. Актуальным является поиск материалов, которые могли бы служить носителем для данных нанокластеров [4, 5]. Перспективными носителями оказались монослойные дисульфид молибдена и галоиды щелочноземельных и переходных металлов [4, 5].

Цель данного исследования – изучение особенностей адсорбции нанокластеров TiO на поверхности монослойного TiS2.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Компьютерное моделирование свойств объекта исследования проводили с применением методов теории функционала электронной плотности. Использовали приближение обобщенного градиента (GGA, generalized gradient approximation) и параметризация PBE (Perdew–Burke–Ernzerhof) [6], реализованные в программном пакете Quantum ESPRESSO [7]. Данное приближение использует и электронную плотность и градиент электронной плотности для расчета полной энергии основного состояния системы [6]. Энергия обрезания плоских волн составляла 680 эВ. Энергия обрезания – критерий, который ограничивает число плоских волновых функций. Данные функции используют в качестве базисных функций для представления волновой функции в расчете. В расчетах вводится ограничение, которое задается энергией обрезания. Использовали сетку k-точек размером 6 × 6 × 1 [8]. В данном случае набор k-точек – это набор точек в обратном пространстве, по которому производится интегрирование математических функций.

Поиск наиболее энергетически выгодных позиций для размещения нанокластера проводили с использованием алгоритмов случайного поиска структуры [5].

В качестве нанокластера TiO рассматривали линейный кластер, представленный на рис. 1б. Существование данного нанокластера было предсказано в работе Zheng-wang Qu [9].

Рис. 1.

Результаты исследования адсорбции нанокластера TiO на поверхности монослойного TiS2, полученные методом компьютерного моделирования (а). Конфигурации адсорбированного нанокластера TiO, соответствующие данным результатам (б–д).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

По результатам исследования (рис. 1 а), энергия связи нанокластера с поверхностью TiS2 составляет 4.713 эВ. Наиболее стабильной является конфигурация, в которой нанокластер расположен перпендикулярно поверхности, над атомом серы (рис. 1 д). Анализуруя далее, можно заметить, что в конфигурациях, отмеченных на рис. 1 как “В” и “Г”, атом Ti нанокластера имеет химическую связь с тремя атомами серы монослойного TiS2. Связь Ti–O позволяет атому Ti формировать анионный тераэдр. Дополнительной особенностью является то, что во всех конфигурациях, представленных на рис. 1, нанокластер ориентирован так, что атом Ti оказывается ближе к поверхности, чем атом S. Данную особенность можно объяснить действием электростатического поля, создаваемого атомами S монослойного TiS2. Поскольку нанокластер TiO представляет собой диполь, то действие данного электростатического поля приводит к ориентированию диполя в пространстве.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследования выявлено, что нанокластер представляет собой диполь Ti–O, который ориентируется в электростатическом поле, создаваемом поверхностью монослойного TiS2. Дополнительной особенностью является образование данным атомом Ti тройной связи с тремя атомами S. Таким образом, данный атом Ti оказывается в центре тетраэдра, образованном анионами S–S–S–O.

Работа поддержана стипендией Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики: СП-1826.2018.1.

Список литературы

  1. Parr R.G., Craig D.P., Ross I.G. Molecular orbital calculations of the lower excited electronic levels of benzene, configuration interaction included // J. Chem. Phys. 1950. V. 18. № 12. P. 1561–1563.

  2. Wang Q. Oxygen reduction catalyzed by gold nanoclusters supported on carbon nanosheets // Nanoscale. 2016. V. 8. № 12. P. 6629–6635.

  3. Tang W., Lin H., Kleiman-Shwarsctein A., Stucky G.D., McFarland E.W. Size-dependent activity of gold nanoparticles for oxygen electroreduction in alkaline electrolyte // J. Phys. Chem. C. 2008. V. 112. № 28. P. 10515–10519.

  4. Lin S.-H., Kuo J.-L. Towards the ionic limit of two-dimensional materials: Monolayer alkaline earth and transition metal halides // Phys. Chem. Chem. Phys. 2014. V. 16. № 38. P. 20763–20771.

  5. Putungan D.B., Lin S.-H., Wei C.-M., Kuo J.-L. Li adsorption, hydrogen storage and dissociation using monolayer MoS2: An ab initio random structure searching approach // Phys. Chem. Chem. Phys. 2015. V. 17. № 17. P. 11367–11374.

  6. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. № 18. P. 3865–3868.

  7. Giannozzi P. QUANTUM ESPRESSO: A modular and open-source software project for quantum simulations of materials // J. Phys. Condens. Matter. 2009. V. 21. № 39. P. 395502.

  8. Pack J.D., Monkhorst H.J. Special Points for Brillouin Zone Integrations // Phys. Rev. B. 1977. V. 16. № 4. P. 1748–1749.

  9. Qu Z., Kroes G.-J. Theoretical Study of the Electronic Structure and Stability of Titanium Dioxide Clusters (TiO2)n with n = 1–9 // J. Phys. Chem. B. 2006. V. 110. № 18. P. 8998–9007.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физика и химия стекла

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал