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

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 CrO₄^2-, 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 CrO₄^2- на поверхнівуглецевих наноструктур – ВНТ та графену. Аналіз проведено на основі результатів теоретичних розрахунків спектрів КР та ІЧ поглинання аніонів CrO₄^2-,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 CrO₄^2- 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 CrO₄^2-. 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 CrO₄^2- (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 CrO₄^2-,адсорбованих на поверхні графену та ВНТ(5,5), в порівнянні із відповідними спектрами «вільних» молекулярних аніонів CrO₄^2- суттєвовідрізняються (валентні коливання зміщуються майже на 100 см^-1), що доводить принципову можливість експериментального детектування факту адсорбції аніонів CrO₄^2-. Отже, спектроскопію КР та ІЧ-поглинання слід вважати перспективними методами моніторингу процесів адсорбції МА CrO₄^2- на поверхні вуглецевих наноматеріалів.

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