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



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


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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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

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

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.


Метрики статей

Завантаження метрик ...

Metrics powered by PLOS ALM

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.