З’ясування можливості оптичного моніторингу адсорбції аніонів CrO42- на вуглецевих наноструктурах шляхом теоретичних розрахунків коливальних спектрів



DOI: http://dx.doi.org/10.31548/energiya2019.02.082

V. Boyko, S. Nedilko, V. Borysyuk, Yu. Hizhny

Анотація


Анотація. Пошук нових адсорбційних матеріалів для створення ефективних схем очищення води від важких металів є важливим науковим і технологічним завданням. Матеріали на основі вуглецевих наноструктурних матеріалів, зокрема ВНТ, розглядаються як перспективні адсорбенти для такої задачі. Застосування процедур оптичного моніторингу процесу адсорбції аніонів важких металів, зокрема аніонів CrO42-, на вуглецевих наноструктурах може значно підвищити ефективність методів очистки і сприятиме створенню нових ефективних технологій захисту навколишнього середовища. В цій роботі аналізується принципова можливість оптичного моніторингу адсорбції (зокрема, детектування самого факту адсорбції) аніонів CrO42- на поверхнівуглецевих наноструктур – ВНТ та графену. Аналіз проведено на основі результатів теоретичних розрахунків спектрів КР та ІЧ поглинання аніонів CrO42-,які одержано в наближенні ТФГ (DFT), «до» та «після» адсорбції на поверхні вуглецевих наноструктур.

У роботі виконано теоретичні розрахунки електронної структури ВНТ і графену із адсорбованими на їх поверхні молекулами. Розрахунки проводилися із використанням програмного пакета Gaussian 09 в рамках теорії функціоналу електронної густини.

Шляхом розрахунків знайдено дві адсорбційні конфігурації аніонів CrO42- на одношаровому листі графена. З’ясовано, що для всіх адсорбційних конфігурацій мають місце помітні зміни в частотах валентних коливань самого хроматного молекулярного аніона. В першій конфігурації частота коливання ν1(A1) зростає на 122 cм-1 (із 858 до 980 cм-1) відносно частоти відповідного коливання «вільного» молекулярного аніона CrO42-. Коливання ν3(T2) зазнає зняття виродження і має також значно вищі частоти (1014, 1016 та 1036 cм-1), у порівнянні із випадком «вільного» молекулярного аніона. З цих трьох компонентів розщеплення найбільш інтенсивний внесок до спектра КР дає компонент із частотою 1016 cм-1 - він формує окрему смугу в спектрі. В іншій адсорбційній конфігурації частота валентного коливання ν1(A1) зміщується незначно, у порівнянні із відповідною частотою вільного аніона CrO42- (з 858 до 869 cм-1). В свою чергу, із коливання ν3(T2) знімається виродження і воно значно розщеплюється: на три компоненти з частотами 725, 751 та 962 cм-1.  Компоненти із частотами 725 та 751 cм-1 формують смуги спектра КР іншої конфігурації, які відсутні в спектрі графена без адсорбованого аніона.

Розраховані спектри КР та ІЧ–поглинання молекулярних аніонів CrO42-,адсорбованих на поверхні графену та ВНТ(5,5), в порівнянні із відповідними спектрами «вільних» молекулярних аніонів CrO42- суттєвовідрізняються (валентні коливання зміщуються майже на 100 см-1), що доводить принципову можливість експериментального детектування факту адсорбції аніонів CrO42-. Отже, спектроскопію КР та ІЧ-поглинання слід вважати перспективними методами моніторингу процесів адсорбції МА CrO42- на поверхні вуглецевих наноматеріалів.

Ключові слова:  вуглець, нанотрубки, адсорбція, молекули, електронна структура


Повний текст:

PDF

Посилання


Ihsanullah et al. (2016). Heavy metal removal from aqueous solution by advanced carbon nanotubes: Critical review of adsorption applications. Separation and Purification Technology 157, 141-161.

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2015.11.039

Gupta, V. K. et al. (2016).Study on the removal of heavy metal ions from industry waste by carbon nanotubes: Effect of the surface modification: a review. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 46, 93-118.

https://doi.org/10.1080/10643389.2015.1061874

Anjum, M., Miandad, R., Waqas, M., Gehany, F. & Barakat, M. A. (2016). Remediation of wastewater using various nano-materials. Arabian Journal of Chemistry. doi:10.1016/j.arabjc.2016.10.004.

https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2016.10.004

Jung, C. et al. (2013). Hexavalent chromium removal by various adsorbents: Powdered activated carbon, chitosan, and single/multi-walled carbon nanotubes. Separation and Purification Technology 106, 63-71.

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2012.12.028

Mohmood, I. et al. (2013). Nanoscale materials and their use in water contaminants removal-a review. Environmental Science and Pollution Research 20, 1239-1260.

https://doi.org/10.1007/s11356-012-1415-x

Tytłak, A., Oleszczuk, P. & Dobrowolski, R. (2015). Sorption and desorption of Cr(VI) ions from water by biochars in different environmental conditions. Environ Sci Pollut Res 22, 5985-5994.

https://doi.org/10.1007/s11356-014-3752-4

Hizhnyi, Y., Nedilko, S., Borysiuk, V., &Shyichuk, A. (2017). Ab Initio Computational Study of Chromate Molecular Anion Adsorption on the Surfaces of Pristine and B-or N-Doped Carbon Nanotubes and Graphene. Nanoscale research letters, 12(1), 71.

https://doi.org/10.1186/s11671-017-1846-x

Gaussian 03 / M.J. Frisch [et al.], Wallingford, CT: Gaussian, Inc., 2003.

Müller, A., Baran, E. J., & Carter, R. O. (1976). Vibrational spectra of oxo-, thio-, and selenometallates of transition elements in the solid state. In Spectra and Chemical Interactions(pp. 81-139). Springer, Berlin, Heidelberg.

https://doi.org/10.1007/BFb0116578

Malard, L. M., Pimenta, M. A. A., Dresselhaus, G., & Dresselhaus, M. S. (2009). Raman spectroscopy in graphene. Physics Reports, 473(5-6), 51-87.

https://doi.org/10.1016/j.physrep.2009.02.003

Cieślak-Golonka, M. (1991). Spectroscopy of chromium (VI) species. Coordination Chemistry Reviews, 109(2), 223-249.

https://doi.org/10.1016/0010-8545(91)80018-9

Müller, A., Baran, E. J., & Carter, R. O. (1976). Vibrational spectra of oxo-, thio-, and selenometallates of transition elements in the solid state. In Spectra and Chemical Interactions(pp. 81-139). Springer, Berlin, Heidelberg.

https://doi.org/10.1007/BFb0116578


Метрики статей

Завантаження метрик ...

Metrics powered by PLOS ALM

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.