نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

بررسی جذب و شناسایی گاز سمی هیدروژن سولفید بر نانولوله های کربنی آلائیده با اتم آهن و دارای نقص استون-ولز با روش تئوری تابعیت چگالی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
محمد ناصح
جواد آرسته
حسن مقنیان
ساناز قره زاده شیرازی
سمانه حیدریان
مرکز تحقیقات مواد و انرژی، واحد دزفول، دانشگاه آزاد اسلامی، دزفول، ایران
چکیده
برای بررسی قابلیت تشخیص و جذب گاز سمی هیدروژن سولفید (H2S)، برهمکنش این گاز با نانو‌لوله‌ی کربنی تک جداره (5,5) با استفاده از تئوری تابعیت چگالی (DFT) مورد ارزیابی قرار گرفت. جهت بررسی اثر تغییرات ساختار نانولوله بر واکنش پذیری آن بر جذب H2S، از نانو‌لوله‌ی خالص، نانو‌لوله‌ی آلائیده با اتم آهن، نانو‌لوله‌ی دارای نقص استون-ولز و نانو‌لوله‌ی آلائیده­ی دارای نقص استفاده شد. بهینه سازی ساختاری با استفاده از سطح نظری B3LYP/LanL2DZ انجام شد. تجزیه و تحلیل انرژی جذب، اختلاف چگالی الکترون، تغییرات هندسی و الکترونی ساختار، مقدار بار جابجا شده بین H2S و نانولوله، تغییرات شکاف هومو-لومو و چگالی حالت­ ها نشان داد که نانو لوله آلاییده با اتم آهن می­ تواند برهمکنش مولکول هیدروژن سولفید با نانولوله کربنی را بهبود بخشد. نتایج نشان داد که بیشترین انرژی جذب مربوط به  نانو‌لوله‌ی کربنی آلائیده با اتم آهن و نانو‌لوله‌ی کربنی دارای نقص استون – ولز 5775 آلائیده با آهن به ترتیب با انرژی جذب kcal/mol 04/54- و 85/47- می‌باشد.  تاثیر نقص استون-ولز بر برهمکنش نانولوله کربنی با هیدروژن سولفید نشان داد که وجود این نقص در ساختار نانولوله کربنی منجر به بهبود جزئی تمایل نانولوله برای برهمکنش با هیدروژن سولفید خواهد شد.
کلیدواژه‌ها
تئوری تابعیت چگالی
نانولوله کربنی آلائیده با اتم آهن
هیدروژن سولفید
نقص استون-ولز

موضوعات

[1] Jia X., Qiao P., Wang X., Yan M., Chen Y., An B.-L., Hu P., Lu B., Xu J.,  Xue Z., Building Feedback-Regulation System Through Atomic Design for Highly Active SO2 Sensing, Nano-Micro Letters, 16(1): 136 (2024).
[2] Li H., Fang Y., Yan J., Ren X., Zheng C., Wu B., Wang S., Li Z., Hua H.,  Wang P., Small-Molecule Fluorescent Probes for H2S Detection: Advances and Perspectives, TrAC Trends in Analytical Chemistry, 134: 116117 (2021).
[3] Navale S., Shahbaz M., Majhi S.M., Mirzaei A., Kim H.W., Kim S.S., CuxO Nanostructure-Based Gas Sensors for H2S Detection: An Overview, Chemosensors, 9(6): 127 (2021).
[4] Chen J., Jia L., Cui X., Zeng W., Zhou Q., Adsorption and Gas-Sensing Properties of SF6 Decomposition Components (SO2, SOF2 and SO2F2) on Co or Cr Modified GeSe Monolayer: A DFT Study, Mater. Today Chem., 28: 101382 (2023).
[5] Patrignani M., Juan J., Nagel O., Reimers W., Luna R., Jasen P.V., The Adsorption of CO and NO on (8, 0) SWCNT Decorated with Transition Metals: A DFT Study as a Possible gas sensor, Powder Technol., 438: 119691 (2024).
[6] برمکی، زهرا.، آقایی، حسین.، سیف، احمد.، منجمی، مجید.، مطالعه سینتیکی و ترمودینامیکی جذب یون کروم (III) از فاز آبی توسط نانولوله های کربنی عامل‌دار شده، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 41(2): 37-55 (2022).
[7] رحیمی، کیوان.، ریاحی، سیاوش.، عباسی، مژگان.، فخروئیان، زهرا.، عامل دار کردن نانولوله های کربنی چنددیواره با دی آمین به منظور افزایش جذب کربن دی اکسید، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 40(2): 73-81 (2021).
[8] Shayanmehr S., Ghiasi R., Mirza B., Mohtat B., Hydrogen Adsorption and Storage on Palladium-Functionalized C20 Bowl and C20H10 Bowl Molecule Including Hydrogen saturation, J. Struct. Chem., 63(9): 1399-1408 (2022).
[9] Ghiasi R., Valizadeh A., Hydrogen Adsorption and Storage on Palladium-Functionalized Graphyne and its Boron Nitride Analogue, J. Struct. Chem., 62(6): 835-844 (2021).
[10] Tohidi S., Sattarian H., Tohidi T., CO Gas Sensing Properties of Pd-and Al-doped Zinc Oxide Nanotubes: A DFT Study, Mol. Phys.: e2308680 (2024).
[11] Kurban M., Electronic Structure, Optical and Structural Properties of Si, Ni, B and N-Doped a Carbon Nanotube: DFT Study, Optik, 172: 295-301 (2018).
[12] Arasteh J., Naseh M., DFT Study of Arsine (AsH3) Gas Adsorption on Pristine, Stone-Wales-Defected, and Fe-Doped Single-Walled Carbon Nanotubes, Struct. Chem., 30(1): 97-105 (2019).
[13] Yoosefian M., Zahedi M., Mola A., Naserian S., A DFT Comparative Study of Single and Double SO2 Adsorption on Pt-Doped and Au-Doped Single-Walled Carbon Nanotube, Appl. Surf. Sci., 349: 864-869 (2015).
[14] Baei M.T., The Al-Doped Carbon Nanotubes: A DFT Study, Fuller Nanotub Car N, 20(8): 681-687 (2012).
[15] Alfiyah V., Ruangpornvisuti V., Adsorption of Small Gas Molecules onto Boron Nitride Nanotubes and Their Al-, Ga-, Cr-and Fe-Doping Derivatives for Gas Sensing, Storage, and Catalytic Properties: Periodic DFT Study, Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. 693: 134075 (2024).
[16] Nairat M., Talla J.A., Electronic Properties of Aluminum Doped Carbon Nanotubes with Stone Wales Defects: Density Functional Theory, Phys. Solid State, 61: 1896-1903 (2019).
[17] Srirangarajan A., Kahaly M.U., Ab Initio Study of Topological Defects in Single Walled Carbon Nanotubes and their Effect on Gas Sensing Mechanism. in AIP Conference Proceedings. 2011. American Institute of Physics.
[18] Peyghan A.A., Soleymanabadi H., Adsorption of H2S at Stone–Wales Defects of Graphene-like BC3: A Computational Study, Mol. Phys., 112(20): 2737-2745 (2014).
[19] Kadhim M.M., Abdullaha S.A., Taban T.Z., Alomar T., Ahmed Al-Masoud N., Hachim S.K., The Effect of Stone–Wales Defect on the Sensitivity of a ZnO Monolayer in Detection of PH3 and AsH3 Gases: A DFT Study, Appl. Phys. A, 129(2): 159 (2023).
[20] Taha R., Shalabi A., Assem M., Soliman K., DFT Study of Adsorbing SO2, NO2, and NH3 Gases Based on Pristine and Carbon-Doped Al24N24 Nanocages, J. Mol. Mod., 29(5): 140 (2023).
[21] Turabekova M., Dinadayalane T.C., Leszczynska D., Leszczynski J., Comprehensive Study on the Dissociative Chemisorption of NH3 on the Sidewalls of Stone–Wales Defective Armchair (5, 5) Single-Walled Carbon Nanotubes, The J. Phys. Chem. C, 116(10): 6012-6021 (2012).
[22] Zhang X., Dai Z., Chen Q., Tang J., A DFT Study of SO2 and H2S Gas Adsorption on Au-Doped Single-Walled Carbon Nanotubes, Physica Scripta, 89(6): 065803 (2014).
[23] Gecim G., Ozekmekci M., A Density Functional Theory Study of Molecular H2S Adsorption on (4, 0) SWCNT Doped with Ge, Ga and B, Surf. Sci., 711: 121876 (2021).
[24] Darvish Ganji M., Kiyani H., Molecular Simulation of Efficient Removal of H2S Pollutant by Cyclodextrine Functionalized CNTs, Sci. rep., 9(1): 10605 (2019).
[25] Yousefian Z., Ghasemy E., Askarieh M., Rashidi A., Theoretical Studies on B, N, P, S, and Si Doped Fullerenes Toward H2S Sensing and Adsorption, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 114: 113626 (2019).
[26] O'boyle N.M., Tenderholt A.L., Langner K.M., Cclib: A Library for Package‐Independent Computational Chemistry Algorithms, J. Comp. Chem., 29(5): 839-845 (2008).
[27] Frisch M., Trucks G., Schlegel H., Scuseria G., Robb M., Cheeseman J., Scalmani G., Barone V., Mennucci B., Petersson G., Gaussian 09, rev. D. 01, Gaussian Inc.: Wallingford, CT, USA:  (2009).
[28] Becke A.D., Becke’s Three Parameter Hybrid Method Using the LYP Correlation Functional, J. Chem. Phys, 98(492): 5648-5652 (1993).
[29] Lee C., Yang W., Parr R.G., Development of the Colle-Salvetti Correlation-Energy Formula into a Functional of the Electron Density, Phys. Rev. B, 37(2): 785 (1988).
[30] Hay P.J., Wadt W.R., Ab initio Effective Core Potentials for Molecular Calculations. Potentials for K to Au Including the Outermost Core Orbitals, J. Chem. Phys., 82(1): 299-310 (1985).
[31] Wadt W.R., Hay P.J., Ab initio Effective Core Potentials for Molecular Calculations. Potentials for Main Group Elements Na to Bi, J. Chem. Phys., 82(1): 284-298 (1985).
[32] Hay P.J., Wadt W.R., Ab initio Effective Core Potentials for Molecular Calculations. Potentials for the Transition Metal Atoms Sc to Hg, J. Chem. Phys., 82(1): 270-283 (1985).
[33] Cundari T.R., Leza H.A.R., Grimes T., Steyl G., Waters A., Wilson A.K., Calculation of the Enthalpies of Formation for Transition Metal Complexes, Chemical physics letters, 401(1-3): 58-61 (2005).
[34] Swatek P.W., First-Principles Study of Electronic Structure and Fermi Surface in Semimetallic YAs, Comput. Mater. Sci., 148: 320-323 (2018).
[35] Balbuena P., Seminario J.M., Nanomaterials: Design and Simulation. Elsevier, 18: (2006).
[36] Jhi S.-H., Louie S.G., Cohen M.L., Electronic Properties of Oxidized Carbon Nanotubes, Phys. Rev. Lett., 85(8): 1710 (2000).
[37] Kanzariya A., Vadalkar S., Jana S.K., Saini L., Jha P.K., An ab-initio Investigation of Transition Metal-Doped Graphene Quantum Dots for the Adsorption of Hazardous CO2, H2S, HCN, and CNCl Molecules, J. Phys. Chem. of Solids, 186: 111799 (2024).
[38] Ahmed M.T., Islam S., Ahmed F., Density Functional Theory Study of Mobius Boron-Carbon-Nitride as Potential CH4, H2S, NH3, COCl2 and CH3OH Gas Sensor, R. Soc. Open Sci., 9(11): 220778 (2022).
[39] Gui Y., Chen J., Wang W., Zhu Y., Tang C., Xu L., Adsorption Mechanism of Hydrogen Sulfide and Sulfur Dioxide on Au–MoS2 Monolayer, Superlattices and microstruct., 135: 106280 (2019).