Hydrogen adsorption on functionalized single wall carbon nanotubes: A DFT study

Abstract

Bu çalışmada, periyodik YFT kullanılarak, yan duvarı oksitlenmiş ve geçiş metali ilave edilmiş/edilmemiş (8,0) zigzag tek duvarlı karbon nanotüplerde, hidrojen adsorpsiyon bağ enerjileri incelenmiştir. Amaç, hidrojenlerin nanotüp yapısı ile en uygun koşullarda bağ kuracak, uygun yapının tayin edilmesidir. Hesaplamalar sonucu elde edilen tüm bağ enerjileri, kimyasal adsorpsiyon bağ enerjisi için en uygun referans aralığı olan 0.2-0.6 eV ele alınarak değerlendirilmiştir. Çalışmada, pürüzsüz ve atomik boşluk içeren (8,0) tek duvarlı nanotüpün elektriksel özellikleri karşılaştırıldığında, pürüzsüz halde yarı-iletken formda iken, boşluk oluşumu ile birlikte iletken özellik kazandığı görülmüştür. Yan duvar üzerinde atomik boşluk üzerinde oksidatif fonksiyonel yapı oluşturduğumuzda, nanotüp duvarına ve nanotüp çemberinin normal eksenine dik pozisyonda lokal minimuma sahiptir ve bu literatür çalışmaları ile örtüşmektedir. Karboksilik grup çevresinde ve nanotüpün pürüzsüz yüzeyi üzerinde gerçekleştirilen hesaplamalarda, hidrojenin karboksilik grup çevresinde daha kuvvetli tutunduğu gözlenmesine rağmen, elde edilen tüm sonuçların istenilen referans aralığından çok aşağıda olduğu görülmüştür. Hidrojenin daha kuvvetli tutunmasını sağlamak amacıyla, okside olmuş TDNT'ün on üç değişik hegzagonal boşluğu üzerinde, on dört farklı metalin (Ca, Co, Cr, Fe, Ni, Mn, Pd, Pt, Rh, Ru, Sc, Ti, V ve Y) ilavesi ile gerçekleştirilen hesaplamalarda, metallerin karboksilik grup ve atomik boşluk yakınlarında tutunmayı tercih ettiği gözlenmiştir. Bu bölgeler üzerinde gerçekleştirilen hidrojenin adsorpsiyonu hesaplamalarında; Ni, Pd ve PT gibi metaller üzerinde, karboksilik grup varlığında hidrojenin istenilen referans bağ enerjisi aralığında tutunduğu görülmüştür. Ca, Fe, Ni, Pd, Pt ve Ti ile gerçekleştirilen kümelenme çalışmalarında, Pd hariç metallerin karboksilik grup çevresinde kümelenmeyi tercih ettiği gözlenmiştir.

In this study, hydrogen adsorption was investigated on side-wall oxidized (8,0) single wall nanotubes (SWNT) decorated with metals using a periodic density functional theory (DFT). The main purpose is to achieve the optimum structure that can bind hydrogens within the reference energy range of 0.2-0.6 eV. When atomic vacancy on side wall was oxidized, functional group has local minima in perpendicular position to both the nanotube wall and normal axis of nanotube radius; that is consistent with previous studies. Even if hydrogen was bonded strongly in close sites to carboxylic group, adsorption energies are too weak on all sites with respect to reference energy range. Therefore, in order to reach reasonable hydrogen binding, fourteen different metal atoms (Ca, Co, Cr, Fe, Mn, Pd, Pt, Rh, Ru, Sc, V, Y) were doped onto the thirteen different sites on sidewall of oxidized SWNT. It has observed that metals have tendency to be doped in close places to oxidative functional group and vacancy. On these structures, the best hydrogen adsorption values were calculated for the following metals: Ni, Pd and Pt in the reference energy range. Furthermore, clustering calculations which has been carried out with six selected metals: Ca, Fe, Ni, Pd, Pt ve Ti showed that Ca, Fe, Ni and Ti tend to form clusters onto the carboxylic group and only Pd prefers a clustering at the plane side of SWNT.