Координационная химия, 2020, T. 46, № 11, стр. 663-671

Структура и магнитные свойства комплексов анион-радикалов кислорода на краях графенового листа с малой энергией связи

В. Ю. Осипов 1*, Д. В. Бухвалов 23, К. Такаи 4

1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе
Санкт-Петербург, Россия

2 Физико-технический институт, Уральский федеральный университет
Екатеринбург, Россия

3 Колледж науки, Институт физики и химии материалов Нанкинского лесотехнического университета
Нанкин, Китайская Народная Республика

4 Кафедра химической науки и технологии, Университет Хосэй
Токио, Япония

* E-mail: osipov@mail.ioffe.ru

Поступила в редакцию 19.04.2020
После доработки 06.05.2020
Принята к публикации 08.05.2020

Аннотация

Методами электронного парамагнитного резонанса и квантово-химической теории функционала электронной плотности изучены образующиеся при возбуждении микроволновым излучением комплексы анион-радикалов кислорода на зигзагообразных краях искривленных графеновых листов. Энергия связи комплекса уменьшается от 700 до 42 мэВ с увеличением расстояния между атомом кислорода и зизгзагообразным краем графенового листа от 1.46 до 1.64 Å. Конфигурации и энергии связи комплексов зависят как от топологии нижележащего слоя графена (одно- или двухслойный, плоский или изогнутый), так и от типа атомных групп, терминирующих краевые атомы углерода посредством σ-связей. Образование комплексов с низкой энергией диссоциации (<70 мэВ) возможно лишь при криогенных температурах в результате переноса электронного заряда от края к молекуле О2. Температурное поведение парамагнитной спиновой восприимчивости комплекса свидетельствует об антиферромагнитном взаимодействии спина S = 1/2 ион-радикала ${\text{O}}_{2}^{{--*}}$ с краевыми спинами, расположенными вне “размагниченной” из-за ухода электронного заряда области. При T > 50 K происходит необратимая диссоциация комплекса с отрывом молекулы О2 от края. Существование комплексов с низкой энергией диссоциации расширяет представления о химической связи ионного типа с большим расстоянием между взаимодействующими агентами.

Ключевые слова: ион-радикал кислорода, графен, краевые состояния, парамагнитная восприимчивость, спектроскопия ЭПР

DOI: 10.31857/S0132344X20110080

Список литературы

  1. Physics and Chemistry of Graphene: Graphene to Nanographene (Second Edition) / Eds. Enoki T., Ando T. Singapore: Jenny Stanford Publishing, 2019. 642 p.

  2. Zhang J., Terrones M., Park C.R. et al. // Carbon. 2016. V. 98. P. 708.

  3. Enoki T., Takai K., Osipov V. et al. // Chem. Asian J. 2009. V. 4. № 6. P. 796.

  4. McClure J.W. // Phys. Rev. 1956. V. 104. № 3. P. 666.

  5. Safran S.A., DiSalvo F.J. // Phys. Rev. B. 1979. V. 20. P. 4889.

  6. Panich A.M., Osipov V.Yu., Takai K. // New Carbon Mat. 2014. V. 29. № 5. P. 392.

  7. Enoki T., Takai K. // Solid State Comm. 2009. V. 149. P. 1144.

  8. Andersson O.E., Prasad B.L.V., Sato H. et al. // Phys. Rev. B. 1998. V. 58. P. 16387.

  9. Osipov V.Yu., Shames A.I., Enoki T. et al. // Diam. Relat. Mat. 2009. V. 18. № 2–3. P. 220.

  10. Wakabayashi K., Fujita M., Ajiki H., Sigrist M. // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. P. 8271.

  11. Solà M. // Front Chem. 2013. V. 1. P. A22.

  12. Wassmann T., Seitsonen A.P., Saitta A.M. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2010. V. 132. № 10. P. 3440.

  13. Savaram K., Li M., Tajima K. et al. // Carbon. 2018. V. 139. P. 861.

  14. Fujita M., Wakabayashi K., Nakada K., Kusakabe K. // J. Phys. Soc. Jpn. 1996. V. 65. P. 1920.

  15. Nakada K., Fujita M., Dresselhaus G., Dresselhaus M.S. // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. P. 17954.

  16. Bandow S., Kokai F., Takahashi K. et al. // Appl. Phys. A. 2001. V. 73. P. 281.

  17. Takai K., Oga M., Sato H. et al. // Phys. Rev. B. 2003. V. 67. P. 214202.

  18. Kobayashi Y., Fukui K., Enoki T., Kusakabe K. // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. P. 125415.

  19. Kobayashi Y., Fukui K., Enoki T. et al. // Phys. Rev. B. 2005. V. 71. P. 193406.

  20. Osipov V.Yu., Enoki T., Takai K. et al. // Carbon. 2006. V. 44. P. 1225.

  21. Osipov V.Yu., Shames A.I., Enoki T. et al. // Diam. Relat. Mat. 2010. V. 19. № 5–6. P. 492.

  22. Panich A.M., Shames A.I., Tsindlekht M.I. et al. // J. Phys. Chem. C. 2016. V. 120. P. 3042.

  23. Bogdanov K., Fedorov A., Osipov V. et al. // Carbon. 2014. V. 73. P. 78.

  24. Enoki T., Kobayashi Y., Katsuyama C. et al. // Diam. Relat. Mat. 2007. V. 16. № 12. P. 2029.

  25. Osipov V.Yu., Baranov A.V., Ermakov V.A. et al. // Diam. Relat. Mat. 2011. V. 20. № 2. P. 205.

  26. Shames A.I., Osipov V.Yu., Vul’ A.Ya. et al. // Carbon. 2013. V. 61. P. 173.

  27. Boukhvalov D.W., Osipov V.Yu., Shames A.I. et al. // Carbon. 2016. V. 107. P. 800.

  28. Gunbas G., Hafezi N., Sheppard W.L. et al. // Nature Chem. 2012. V. 4. P. 1018.

  29. Bleaney B, Bowers K.D. // Proc. R. Soc. London. A. 1952. V. 214. P. 451.

  30. Boukhvalov D.W., Dreyer D.R., Bielawski C.W., Son Y.-W. // ChemCatChem. 2012. V. 4. № 11. P. 1844.

  31. Lee C., Chen H., Fitzgerald G. // J. Chem. Phys. 1995. V. 102. P. 1266.

  32. Резников В.А. // Фазовые переходы, межфазные границы и нанотехнологии. 2014. № 4. С. 93. http://pti-nt.ru/ru/issue/publication/61-k-ponyatiyu-vodorodnoiy-svyazi-i-energii-svyazi-v-vode.

Дополнительные материалы отсутствуют.