Квантово-химическое моделирование структуры катализатора нитрида углерода,

Содержание

РЕФЕРАТ 2
ВВЕДЕНИЕ 8
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Графитоподобный нитрид углерода
1.1.1 Основные свойства, получение, применение 9
1.1.2 Фотокатализ 11
1.1.3 Способы модификации фотокатализаторов 12
1.1.4 Граничные молекулярные орбитали 17
1.2. Методы теоретического исследования структуры молекулярных комплексов органических веществ, анализ электронных характеристик соединений
1.2.1 Компьютерное моделирование 19
1.2.2 Теория функционала плотности 20
1.2.3 Программный пакет Gaussian 22
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 26
3 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ29
3.1 Молекулярный дизайн 29
3.2 Влияние донорно-акцепторных допантов на разницу энергий
граничных орбиталей 33
3.3 Анализ распределения электронной плотности в зависимости от вида и
количества допантов 41
3.4 Анализ перераспределения зарядов на атомах 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 56
ABSTRACT 59

Введение

Углеродные материалы являются крайне перспективными, чем вызывают большой интерес у современных исследователей. Одним из таких соединений является нитрид углерода. Благодаря своим свойствам нитрид углерода применяется во многих сферах, например, в качестве покрытий, обладающих высокой стойкостью к износу и царапанию, в качестве электрических изоляторов и оптических покрытий, а так же материалы на основе нитрида углерода используются для изготовления пористых нанотрубок.
Графитоподобный нитрид углерода - одна из модификаций соединений с формулой CxNy. Это соединение применяется в качестве фотокатализатора для очистки воды, генерации водорода и других процессов, чем и вызывает особый интерес среди ученых, особенно в настоящее время - в условиях постоянно растущих потребностей в энергии и загрязнения окружающей среды.
Важной задачей является улучшение свойств фотокатализатора. Фотокатализом называют процесс увеличения скорости химической реакции, происходящий за счет совместного действия катализатора и облучения светом. Активность фотокатализатора зависит от его способности создавать пары электрон-дырка, которые генерируют свободные радикалы и вступают во вторичные реакции. Для улучшения фотокаталитических свойств в молекулу вводят донор и акцептор, которые повышают число электронов и дырок.
Таким образом, целью данной работы стало изучение влияния гетероциклических (донорных и акцепторных) заместителей на электронные характеристики нитрида углерода. На основании цели сформулированы следующие задачи:
1. Молекулярный дизайн комплексов на основе структурного фрагмента фотокатализатора нитрида углерода - мелона и донорно¬акцепторных молекулярных допантов.
2. Оптимизация геометрии, расчет электронных характеристик построенных комплексов на основе теории функционала плотности.
3. Установление закономерностей изменения электронных характеристик от характера и количества заместителей.
4. Анализ распределения граничных молекулярных орбиталей и зарядов на атомах в исследуемых комплексах.
Научная новизна и практическая значимость работы: впервые проведено теоретическое моделирование структуры фрагментов молекулярно- допированного донорными и акцепторными гетероциклическими системами графитоподобного нитрида углерода. Результаты работы могут быть использованы для проведения направленного синтеза материалов с требуемыми фотокаталитическими свойствами.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

Заключение

1. Для построения моделей комплексов определены предпочтительные атомы для конъюгации допантов в структуру мелона: угловой атом азота для акцепторного заместителя и, расположенный напротив, центральный атом для донорного заместителя.
2. Для электроноакцепторных гетероароматических молекул выявлен наиболее сильно влияющий на электронные характеристики атом акцептора среди O, S и Se, им является Se.
3. Эффективное понижение разницы граничных молекулярных орбиталей выполняется при условии заселённости ВЗМО на донорных, а НСМО на акцепторных фрагментах комплексов. Введение в структуру мелона акцепторных допантов, вызывает отток электронной плотности от сопряженной системы р-электронов, что приводит к увеличению положительного заряда на атомах водорода и углерода и уменьшению отрицательного заряда атомов N и наоборот для донорных допантов.
4. Найдена лучшая комбинация заместителей в структуре мелона, приводящая к сокращению разницы энергии граничных орбиталей на 0,95 эВ, где в качестве электронодонорного допанта использован карбазол, а электроноакцепторного - 2,1,3-бензоселенадиазол.

Литература

1 Liu, A.Y. Photoelectron Spectroscopy and Raman Spectroscopy Studies on Thin Carbon Nitride Films Deposited by Reactive Magnetron Sputtering / A.Y. Liu, M.L. Cohen // Science. - 1989. - V. 245, N 4920. - P. 841 - 842.
2 Khabashesku V.N. Powder Synthesis and Characterization of Amorphous Carbon Nitride / V.N. Khabashesku, J.L. Zimmerman, J.L. Margrave // ChemInform. - 2010. V. 27, N 58. - 134 рр.
3 Ong, W.J. Quantum characteristics / W.J. Ong, L.L. Tan, S.T.Yong, S.P. Chai // Chem. Rev. - 2016. V. 38, N 403. - Р. 7159-7329.
4 Wen, J. Self-gating in semiconductor electrocatalysis / J. Wen, J. Xie, X. Chen // Appl. Surf. Sci. - 2017. - V.4, N 23. P. 72-123.
5 Henning, H. Tunable optical transition in polymeric carbon nitrides synthesized via bulk thermal condensation / H. Henning // Coord.Chem.Rev. - 1985. - V. 61, N 2. - 53 pp.
6 Патентная база. - https://legal-support/doc/RU2467850C2_20121127.
7 Степанов, Н.Ф. Квантовая механика и квантовая химия / Н.Ф. Степанов.
- Москва: Изд-во Мир, 2001. - 519 с.
8 Немухин, А.В. Компьютерное моделирование в химии / А.В. Немухин.
- Москва: Изд-во МГУ, 1998. - С. 48-52.
9 Polymer solar cells / J. Liu, Y. Liu, N.Y. Liu et al. // Chem. Rev. 2015. - V. 347, N 74. - 970 pp.
10 Band structure engineering of graphitic carbon nitride via Cu2+/Cu+ doping for enhanced visible light photoactivity / A. Iwase, S. Yoshino, T. Takayama et al. // Chem. Soc. - 2016. - V. 138, N 99. - 10260 pp.
11 Experimental Progress on Layered Topological Semimetals / W. Ong, L. Tan, Y. Ng et al. // Chem. Rev. - 2016. - V. 116, N 107. - 7159 pp.
12 Ma, Y.N. A Library of atomically thin metal / Y.N. Ma, J. Li, E.Z. Liu et al. // Appl. Catal. - 2001. - V. 219, N 164. - 467 pp.
13 Large-Scale synthesis of nitrogen-rich carbon nitride microfibers by using draphitic carbon nitride as precursor / Y.F. Li, M. Yang, Y. Xing et al. // Chemistry. - 2017. - V. 170, N 65 - 1552 pp.
14 Large photocurrent gererated by a camera flash in single-vallet carbon nanotubes / Z. W. Tong, D. Yang, Y.Y. Sun et al. // Science. - 2016. V. 241, N 561. - 4093 pp.
15 Che, W. Percolation effect on the conductivity of single-vallet carbon nanotube net-work / W. Che, W.R. Cheng, T. Yao // Chem. Soc. - 2017. - V. 130, N 47. - 3021 pp.
..38