Speakers
Description
Утечка токсичных и легковоспламеняющихся химических веществ представляют серьезную опасность для общества, поскольку они влияют на экосистему и в конечном счете на здоровье человека. Для контроля концентрации газов, выделяемых предприятиями, были разработаны различные типы газовых датчиков. Наиболее перспективными считаются датчики хеморезистивного типа на основе производных графена благодаря их селективности, чувствительности, простоте изготовления, компактности, более низкой рабочей температуре и энергопотреблению. К настоящему времени в качестве газочувствительного элемента было синтезировано и опробовано большое количество производных графена. Наиболее известными считаются оксид графена (GO, Graphene Oxide) и восстановленный оксид графена (rGO, reduced Graphene Oxide).
В рамках теории функционала электронной плотности (DFT, Density Functional Theory) было исследовано влияние каждой из кислородосодержащих функциональных групп, находящихся в составе оксида графена и восстановленного оксида графена, на хеморезистивный отклик в присутствии ряда молекул токсичных газов (NH3, CO2, CO, H2S, NO2 и SO2). В данной работе были исследованы явления адсорбции на плоскости и краях химически модифицированного графена. Было рассмотрено три различных поверхности на плоскости и четыре различных поверхности с краем графена.
Расчеты проводились в рамках теории функционала плотности с использованием программного пакета VASP [1]. Обменно-корреляционный вклад в энергию был рассчитан с использованием мета - обобщенного градиентного приближения (meta - GGA) с функционалом R2SCAN. Для корректного описания ван – дер – ваальсовых взаимодействий между поверхностью и адсорбируемой молекулой был использован метод Гримме с дисперсионной коррекцией D3 [2]. Для расчетов была использована сетка Монхорста – Пака размером 5x5x1 с энергией обрезания плоских волн 600 эВ. Для расчета величины переносимого заряда между исследуемой молекулой и поверхностью использовался метод DDEC6 (Density Derived and Electrostatic Chemical Method) [3].
Было обнаружено, что гидроксильные и карбоксильные группы демонстрируют повышенную селективность и чувствительность газовых сенсоров. Было обнаружено, что графен с карбонильной группой подвергается необратимой хемосорбции NO2, что потенциально может привести к разрушению активного материала, ограничивая возможность вторичного использования газовых датчиков, особенно при комнатной температуре. Большинство молекул демонстрируют как донорное, так и акцепторное поведение на графене с кислородсодержащими функциональными группами, что подчеркивает важность тщательного отбора конкретных типов функциональных групп. Полученные результаты могут быть использованы в качестве основы для разработки активного материала на основе графена с кислородсодержащими функциональными группами для хеморезистивных газовых сенсоров.
- Kresse G., Furthmüller J. Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set // Comput. Mater. science. 1996. V. 6(1). P. 15–50.
- Grimme S., Ehrlich S., Goerigk L. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory // J. Comp. Chem. 2011. V. 32(7). P. 1456–1465. Manz T. A.,
- Limas N. G. Introducing DDEC6 atomic population analysis: part 1. Charge partitioning theory and methodology // RSC advances. 2016. V. 6(53). P. 47771–47801.
