Теоретичне моделювання взаємодії кластера Fe2 З N, B, Si-вмісною вуглецевою графеноподібною площиною

Є. М. Дем’яненко; М. І.  Терець; С. В. Журавський; Ю. I. Семенцов; В. В. Лобанов; В. С. Куць; A. Г. Гребенюк; М. Т. Картель

doi:10.15407/Surface.2022.14.037

Є. М. Дем’яненко Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
М. І. Терець Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
С. В. Журавський Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
Ю. I. Семенцов Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України / Ніньбо технологічний університет
В. В. Лобанов Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
В. С. Куць Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
A. Г. Гребенюк Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
М. Т. Картель Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України / Ніньбо технологічний університет

DOI: https://doi.org/10.15407/Surface.2022.14.037

Ключові слова: графеноподібна площина, коронен, нанокластер заліза, метод теорії функціонала густини, кластерне наближення, карбід кремнію

Анотація

Для отримання матричних композитів із заданими параметрами з максимально міцними адгезійно-когезійними зв’язками між атомами металу та вуглецевої наночастинки використовуються металокомпозити, модифіковані різноманітними гетероатомами, такими як N, B та Si. Такі функціоналізовані гетероатомами вуглецеві наночастинки перспективні для багатьох металокомпозитів.

Одним із вавжливим і перспективним металом як матриці для подібної дослідницької роботи є залізо. Для передбачення особливостей взаємодії саме заліза з поверхнею, доповнених гетероатомами різної хімічної будови вуглецевих наноматеріалів, доцільно провести моделювання таких процесів методами квантової хімії.

Метою роботи було з’ясувати вплив температури на хімічну взаємодію кластера заліза (Fe₂) з нативною, бор-, силіций- та нітрогенвмісною графеноподібними площинами (ГПП).

Результати розрахунків свідчить, що найвище значення енергетичного ефекту хімічної взаємодії (ΔE_reac) з кластером Fe₂ становить для нативної графеноподібної площини +204.3 кДж/моль, при розрахунках як методом B3LYP/6‑31G(d,p), так і методом MP2/6-31G(d,p) (+370.7 кДж/моль). Для ГПП з електроноакцепторним атомом бору значення ΔE_reac негативне и досить велике за абсолютною величиною (‑210.5 кДж/моль, B3LYP/631G(d,p)), метод MP2/6‑31G(d,p) дає для цієї величини +16.6 кДж/моль. Для молекули С₁₂Si₁₂H₁₂ знайдено аналогічні закономірності для енергетичного ефекту реакції в залежності від методу розрахунків: ‑136.6 (B3LYP/631G(d,p) та +70.2 кДж/моль (MP2/6‑31G(d,p)). Розрахунки взаємодії ГПП, яка містить два електронодонорних атома Нітрогену, з кластером Fe₂ дали ΔE_reac 94.6 (B3LYP/631G(d,p)) та +76.2 кДж/моль (MP2/6‑31G(d,p)).

Наявність атомів бору в складі нановуглецевої матриці сприяє найкращій взаємодії з нанокластером заліза, незалежно від обраного методу дослідження.

Залежності вільної енергії Гібса взаємодії димера заліза з графеноподібною площиною і її похідними у усіх випадках якісно корелюють з аналогічними енергетичними ефектами. Крім того, значення вільної енергії Гібса зростають з температурою.

Посилання

Ghodrati H., Ghomashchi R. Effect of graphene dispersion and interfacial bonding on the mechanical properties of metal matrix composites: An overview. Flat. Chem. 2019. 16: 100113. https://doi.org/10.1016/j.flatc.2019.100113

Ameri S., Sadeghian Z., Kazeminezhad I. Effect of CNT addition approach on the microstructure and properties of NiAl- CNT nanocomposites produced by mechanical alloying and spark plasma sintering. Intermetallics. 2016. 76: 41. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2016.06.010

Huang Z., Zheng Z., Zhao S., Luo P., Chen L. Copper matrix composites reinforced by aligned carbon nanotubes: mechanical and tribological properties. Mater. Des. 2017. 133: 570. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.08.021

Bor A., Ichinkhorloo B., Uyanga B., Lee J., Choi H. Cu/CNT nanocomposite fabrication with different raw material properties using a planetary ball milling process. Powder Technol. 2018. 323: 563. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.06.042

Dadkhah M., Saboori A., Fino P. An Overview of the Recent Developments in Metal Matrix Nanocomposites Reinforced by Graphene. Materials. 2019. 12: 2823. https://doi.org/10.3390/ma12172823

Bakshi S.R., Agarwal A. An analysis of the factors affecting strengthening in carbon nanotube reinforced aluminum composites. Carbon. 2011. 49: 533. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.09.054

Chang K., Gu D. Direct metal laser sintering synthesis of carbon nanotube reinforced Ti matrix composites: Densification, distribution characteristics and properties. J. Mater. Res. 2016. 31(2): 281. https://doi.org/10.1557/jmr.2015.403

Ahmad S.I., Hamoudi H., Abdala A., Ghouri Z.K., Youssef K.M. Graphene-reinforced bulk metal matrix composites: synthesis, microstructure, and properties. Rev. Adv. Mater. Sci. 2020. 59: 67. https://doi.org/10.1515/rams-2020-0007

Bor A., Ichinkhorloo B., Uyanga B., Lee J., Choi H. Cu/CNT nanocomposite fabrication with different raw material properties using a planetary ball milling process. Powder Technol. 2018. 323: 563. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.06.042

Zhang X., Zhao N., He C. The superior mechanical and physical properties of nanocarbon reinforced bulk composites achieved by architecture design - a review. Prog. Mater. Sci. 2020. 113: 100672. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100672

Zhao Z., Bai P., Du W. , Liu B., Pan D., Das R., Liu C., Guo Z. An overview of graphene and its derivatives reinforced metal matrix composites: preparation, properties and applications. Carbon. 2020. 170: 302. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.08.040

Shao P., Sun K., Zhu P., Liu K., Zhang Q., Yang W., Wang, Z., Sun, M., Zhang D., Kidalov S., Xiao H., Wu G. Enhancing the strengthening effect of graphene-nanoplates in Al matrix composites by heterogeneous matrix design. Nanomater. 2022. 12(11): 1833. https://doi.org/10.3390/nano12111833

Strelko V.V., Kuts V.S., Thrower P.A. On the mechanism of possible influence of heteroatoms of nitrogen, boron and phosphorus in a carbon matrix on the catalytic activity of carbons in electron transfer reactions. Carbon. 2000. 38(10): 1499. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00121-4

Chang K., Gu D. Direct metal laser sintering synthesis of carbon nanotube reinforced Ti matrix composites: Densification, distribution characteristics and properties. J. Mater. Res. 2016. 31(2): 281. https://doi.org/10.1557/jmr.2015.403

Kreider K. G Composite Materials, Volume 4: Metallic Matrix Composites. (Academic Press, 1974).

Hu Z., Tong G., Lin D., Chen C., Guo H., Xu J., Zhou L. Graphene-reinforced metal matrix nanocomposites - a review. Mater. Sci. Technol. 2016. 32(9): 930. https://doi.org/10.1080/02670836.2015.1104018

Liang W., Jiang C., Li K., Zhang J., Bi Zh. Effect of graphene wrinkle degree on the interfacial behavior between iron and graphene: Atomic simulation. J. Mol. Liq. 2022. 351: 118598. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.118598

Muhammad A., Sales W.F. Iron-graphene based anode material for rechargeable lithium-ion batteries decorated by gold nanoparticles recovered from gold plated waste surgical tools. Surf. Interfaces. 2021. 27: 101575. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101575

Akgul Y., Tanrıverdi A. N., Erden M. A. A novel approach on production of carbon steels using graphene via powder metallurgy. Can. Metall. Q. 2022. 61(1): 85. https://doi.org/10.1080/00084433.2021.2023285

Zeng C., Shan H., Zhao C., Liu Y.. Preparation and mechanical properties of nano-iron-graphene oxide/chitosan composites. Acta Mater. Compos. Sin. 2022. 39(4): 1739.

Yu S., Chen S., Zhang W. W., Yu L., Yin Y. Theoretical study of electronic structures and magnetic properties in iron clusters (n ≤ 8). Chem. Phys. Lett. 2007. 446(1-3): 217. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2007.08.035

Jensen F. Introduction to Computational Chemistry. (Odense: John Wiley & Sons, 2007).

Barca G., Bertoni C., Carrington L., Datta D., De Silva N., Deustua J.E., Fedorov D.G., Gour J.R., Gunina A.O., Guidez E., Harville T., Irle S., Ivanic J., Kowalski K., Leang S.S., Li H., Li W., Lutz J.J., Magoulas I., Mato J., Mironov V. Recent developments in the general atomic and molecular electronic structure system. J. Chem. Phys. 2020. 152: 154102. https://doi.org/10.1063/5.0005188

Becke A. D. Density functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. J. Chem. Phys. 1993. 98(7): 5648. https://doi.org/10.1063/1.464913

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. 1988. 37(2): 785. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.785

Voitko K., Tóth A., Demianenko E., Dobos G., Berke B., Bakalinska O., Grebenyuk A., Tombácz E., Kuts V., Tarasenko Y., Kartel M., László K. Catalytic performance of carbon nanotubes in H2O2 decomposition: Experimental and quantum chemical study. J. Colloid Interf. Sci. 2015. 437: 283. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2014.09.045

Head-Gordon M., Pople J.A., Frisch M.J. MP2 energy evaluation by direct methods. Chem. Phys. Lett. 1988. 153(6): 503. https://doi.org/10.1016/0009-2614(88)85250-3