بررسی جذب سطحی یون فرمات روی صفحه‌ 101 آناتاز

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

پژوهشگاه شیمی و مهندسی شیمی ایران

چکیده

ساختارهای احتمالی حاصل از جذب یون فرمات روی صفحه­ی 101 چندشکلی آناتاز دی­اکسید تیتانیوم با محاسبات مکانیک کوانتومی مورد بررسی قرار گرفتند تا نحوه­ی عملکرد این کاتالیزگر نوری پیشرفته در این فرآیند جذب مورد تجزیه و تحلیل واقع شود. در ابتدا ساختارهای سطح جاذب تنها، گونه­ی جذب­شونده­ی تنها و سطح جاذب شامل گونه­ی جذب­شونده، تحت محاسبات بهینه­سازی ساختار قرار گرفتند تا ساختارهای بهینه به­دست آیند. این بهینه­سازی ساختارها با روش­های محاسباتی غیر­تناوبی و تناوبی انجام شدند. نتایج حاصل از هر دو روش، نحوه جذب در حالت یونی را پایدارتر از حالت مولکولی      به­دست می­دهند. در ضمن حالت دودندانه­ی یون فرمات روی سطح دارای نقص اکسیژن پایدارتر از حالت دودندانه­ی آن روی سطح  کامل و هردو پایدارتر از حالت تک­دندانه­ی آن روی سطح  کامل می­باشند. به منظور تایید این نتایج حاصل از بررسی­های انرژی جذب، از نظریه­های اتم در مولکول (AIM) و تشدید مغناطیس هسته (NMR) استفاده شد. با استفاده از نظریه کوانتومی اتم در مولکول ماهیت پیوندهای اکسیژن- تیتانیوم مشخص شد و نشان داده شد که آنها ماهیت الکترواستاتیک دارند. نتایج حاصل از این دو نظریه، نتایج قبلی در مورد قدرت جذب را تایید نمودند.
                                                                                                                                                                

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A Survey of Format Anion Adsorption on 101 Surface of Anatase

نویسندگان [English]

  • Saeed Amini
  • Azin Azarkamand
Chemistry and Chemical Engineering Research Center of Iran
چکیده [English]

The probable structures of format anion adsorbion on the 101 surface of anatase allotropy of titanium dioxide were investigated by quantum mechanical calculations in order to analyze mechanism of action of this advanced photocatalyst in this adsorption process. At the first, in order to get the optimized structures, the structures of adsorbent surface alone, adsorb species alone and adsorbent surface including adsorb species were exposure to the structural optimization calculations. These optimizations of structures were done using cluster and periodic computational methods. Results of both methods show that dissociative adsorption of formic acid on the 101 surface of anatase is more stable than associative one. Also, stability of the adsorbed formate ion is in the order of bidentate state on the surface with oxygen defency, bidentate state on the perfect surface and monodentate state on the perfect surface. The atom in molecule (AIM) and nuclear magnetic resonance (NMR) theorems were employed in order to certify the results of adsorption energy investigations. The nature of the oxygen-titanium bonds were identified using quantum theory of atoms in molecules and it was shown that they have electrostatic nature. Results of these theorems certified the former results of adsorpsion strength.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Formic acid
  • Format Anion
  • Anatase
  • Adsorption energy
  • Nuclear magnetic resonance
  • Atom in Molecule
  1. 1. Y. A. Attia, T. A. Altalhi, Res. Chem. Intermed., Vol. 43, 2017, pp. 4051.
  2. 2. H. Zeng, J. Xie, H. Xie, B. L. Su, M. Wang, H. Ping, W. Wang, H. Wang, Z. Fu, J. Mat. Chem. A, Vol. 3, 2015, pp. 19588.
  3. 3. M. J. Powell, R. Q. Cabrera, W. L. Travis, I. P. Parkin, J. Mat. Chem. A, Vol. 3, 2015, pp. 17241.
  4. 4. E. Madej and E. Ventosa, J. Pow. Sour., Vol. 266, 2014, pp. 155.
  5. 5. B. Santara, P. K. Giri, K. Imakita, M. Fujii, J. Phys. D: App. Phys., Vol. 47, 2014, pp. 215302.
  6. 6.  N. A. Jani, M. F. Achoi, M. M. Mahat, S. Abdullah, Z. Lockman, A. F. M. Noor, Adv. Mat. Res., Vol. 686, 2013, pp. 71.
  7. 7. J. S. Chen, L. A. Archer, X. W. Lou, J. mater. Chem., Vol. 21, 2011, pp. 9912.
  8. 8. M. Xu, H. Noei, M. Buchholz, M. Muhler, C. Wöll, Y. Wang,Catalysis Today, Vol. 182,  2012, pp. 12-15.
  9. 9. K. S. Kim and M. A. Barteau, Langm., Vol. 4, 1988, pp. 945.
  10. 10. S. A. Chambers, M. A. Henderson, Y. J. Kim, S. Thevuthasan, Surf. Rev. Lett., Vol. 05, 1998, pp. 381.
  11. 11. A. Dickinson, D. James, N. Perkins, T. Cassidy, M. Bowker, J. Mol. Catal. A, Vol. 146, 1999, pp. 211.
  12. 12. M. Bowker, Surface Science, Vol. 511, 2002, pp. 435.
  13. 13. H. Onishi, T. Aruga, Y. Iwasawa, J. Am. Chem. Soc., Vol. 115, 1993, pp. 10460.
  14. 14. Y. Yamaguchi, H. Onishi, Y. Iwasawa, J. Chem. Soc. Faraday Trans., Vol. 91, 1995, pp. 1663.
  15. 15. J. M. Kesselman-Truttman, S. J. Hug, F. P. Rotzinger, V. Shklover, M. Gratzel, J. Phys. Chem. B, Vol. 104, 2000, pp. 1300.
  16. 16. L. Fernández, R. Faccio, H. Pardo, A. W. Mombrú, Nanotechnology, Vol. 6, 2011, pp. 46.
  17. 17. A. Vittadini, A. Selloni, F. P. Rotzinger, M. Gratzel, J. Phys. Chem.  B., Vol. 104, 2000, pp. 1300.
  18. 18. G. Munuera, F. Gonzalez, F. Moreno, J. A. Prieto, InCatalysis: Proceedings of the 5Th International Congress on Catalysis, North Holland: Amsterdam,  Hightower, J.W., Ed., 2, 1973, pp. 1159.
  19. 19. M. Valiev, E. J. Bylaska, N. Govind, K. Kowalski, T. P. Straatsma, H. J. J. Van Dam, D. Wang, J. Nieplocha, E. Apra, T. L. Windus, W. A. de Jong, Computer Phys. Comm., Vol. 181, 2010, pp. 1477.
  20. 20. X. Gonze, B. Amadon, P. M. Anglade, J. M. Beuken, F. Bottin, P. Boulanger, F. Bruneval, D. Caliste, R. Caracas, M. Côté, T. Deutsch, L. Genovese, Ph. Ghosez, M. Giantomassi, S. Goedecker, D.R. Hamann, P. Hermet, F. Jollet, G. Jomard, S. Leroux, M. Mancini, S. Mazevet, M. J. T. Oliveira, G. Onida, Y. Pouillon, T. Rangel, G. M. Rignanese, D. Sangalli, R. Shaltaf, M. Torrent, M. J. Verstraete, G. Zerah, J. W. Zwanziger, Comp. Phys. Commun., Vol. 180, 2009, pp. 2582.
  21. 21. A. Almenningen, O. Bastiansen, T. Motzfeldt, Acta Chem. Scand., Vol. 23, 1969, pp. 2848.