Ідентифікація хімічного оточення молекул води, адсорбованих на поверхні анатазу: квантовохімічні розрахунки
Theoretical studies of the interactions of an oxygen molecule with the surface of a solid phase are of great importance for understanding the mechanisms of reactions involving oxygen on a solid surface. In this work, the spatial and electronic structure of oxygen defects and nitrogen impurity center...
Gespeichert in:
| Datum: | 2019 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2019
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/499 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543907587817472 |
|---|---|
| author | Smirnova, O. V. Grebenyuk, A. G. Lobanov, V. V. |
| author_facet | Smirnova, O. V. Grebenyuk, A. G. Lobanov, V. V. |
| author_sort | Smirnova, O. V. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-06-29T10:03:29Z |
| description | Theoretical studies of the interactions of an oxygen molecule with the surface of a solid phase are of great importance for understanding the mechanisms of reactions involving oxygen on a solid surface. In this work, the spatial and electronic structure of oxygen defects and nitrogen impurity centers of the anatase surface and their manifestation in water adsorption are investigated. The anatase surface was simulated for by clusters of the composition Ti14H22O39 (defect-free face (001)), Ti14H22O38 (surface with oxygen vacancy), and Ti14H22N2O36 (surface with both oxygen vacancy and incorporated nitrogen), terminated with boundary hydrogen atoms.Calculations on the total energy of the optimized geometric structures of the model TiO2 clusters and on the corresponding theoretical XPS spectra were performed using the density functional theory (DFT) method and the B3LYP hybrid functional with an extended valence-split basis set 6-31G (d, p).In the XPS spectra of O1s, each peak can be attributed to a specific type of oxygen atoms in the initial structure, dependent on their coordination environment. The substitution of nitrogen atoms for oxygen ones leads to a complication of the spectrum. Simultaneous replacement of nitrogen atoms for oxygen ones and presence of an oxygen vacancy leads to further complication of the XPS spectrum.The different structure of the adsorption complexes of water molecules on the anatase surface formed due to the HOH???O hydrogen bond (this displaces by 0.05 eV all the peaks in the XPS spectrum) or the coordination bond Ti???OH2 has been also considered.Based on the analysis of theoretical results, the role of various forms of defects in the adsorption of water on the anatase surface is considered.The results of quantum chemical studies of molecular models simulated for the bulk and surface of titanium dioxide are compared with the literature data available. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:33:36Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-499 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-17T12:08:00Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-4992022-06-29T10:03:29Z Chemical environment of water molecules adsorbed on the anatase surface: quantum chemical study Идентификация химического окружения молекул воды, адсорбированных на поверхности анатаза: квантовохимические расчеты Ідентифікація хімічного оточення молекул води, адсорбованих на поверхні анатазу: квантовохімічні розрахунки Smirnova, O. V. Grebenyuk, A. G. Lobanov, V. V. anatase oxygen defect nitrogen impurity water adsorption XPS spectra quantum chemical density functional theory (DFT) method cluster models анатаз спектри РФЕС діоксид титану метод теорії функціоналу електронної густини кластерні моделі анатаз спектры РФЭС диоксид титана метод теории функционала плотности кластерные модели Theoretical studies of the interactions of an oxygen molecule with the surface of a solid phase are of great importance for understanding the mechanisms of reactions involving oxygen on a solid surface. In this work, the spatial and electronic structure of oxygen defects and nitrogen impurity centers of the anatase surface and their manifestation in water adsorption are investigated. The anatase surface was simulated for by clusters of the composition Ti14H22O39 (defect-free face (001)), Ti14H22O38 (surface with oxygen vacancy), and Ti14H22N2O36 (surface with both oxygen vacancy and incorporated nitrogen), terminated with boundary hydrogen atoms.Calculations on the total energy of the optimized geometric structures of the model TiO2 clusters and on the corresponding theoretical XPS spectra were performed using the density functional theory (DFT) method and the B3LYP hybrid functional with an extended valence-split basis set 6-31G (d, p).In the XPS spectra of O1s, each peak can be attributed to a specific type of oxygen atoms in the initial structure, dependent on their coordination environment. The substitution of nitrogen atoms for oxygen ones leads to a complication of the spectrum. Simultaneous replacement of nitrogen atoms for oxygen ones and presence of an oxygen vacancy leads to further complication of the XPS spectrum.The different structure of the adsorption complexes of water molecules on the anatase surface formed due to the HOH???O hydrogen bond (this displaces by 0.05 eV all the peaks in the XPS spectrum) or the coordination bond Ti???OH2 has been also considered.Based on the analysis of theoretical results, the role of various forms of defects in the adsorption of water on the anatase surface is considered.The results of quantum chemical studies of molecular models simulated for the bulk and surface of titanium dioxide are compared with the literature data available. Теоретические исследования взаимодействия молекулы кислорода с поверхностью твердой фазы имеют большое значение для понимания механизмов реакций с участием О2 на твердой поверхности. В этой работе исследованы пространственное строение и электронная структура кислородных дефектов и азотных примесных центров поверхности анатаза и их проявления в адсорбции воды. Поверхность анатаза моделировалась кластерами состава Ti14H22O39 (бездефектная грань (001)), Ti14H22O38 (поверхность с кислородной вакансией) и Ti14H22N2O36 (поверхность с кислородной вакансией и внедренными атомами азота), которые ограничены атомами водорода.Расчеты величин полной энергии оптимизированных пространственных структур модельных кластеров TiO2 и соответствующих теоретических спектров РФЭС выполнены с использованием метода теории функционала плотности (DFT) и гибридного функционала B3LYP с расширенным валентно-расщепленным базисным набором 6-31G (d, p).В РФЭС-спектрах O1s каждый пик может быть отнесен к определенному типу атомов кислорода в зависимости от их координационного окружения. Замена атомами азота атомов кислорода приводит к усложнению спектра. Одновременное замещение атомами азота атомов кислорода и наличие кислородной вакансии приводят к дальнейшему усложнению спектра РФЭС.Рассмотрено также различное строение адсорбционных комплексов молекул воды на поверхности анатаза, образованных благодаря водородной связи HOH???O (при этом в спектре РФЭС происходит смещение на 0,05 эВ всех пиков), или координационной связи Ti???OH2.На основании анализа теоретических результатов рассмотрена роль различных видов дефектов в адсорбции воды на поверхности анатаза. Теоретически полученные результаты сравниваются со свойствами молекулярных моделей для объема и поверхности диоксида титана, имеющиеся в литературе. Теоретичні дослідження взаємодії молекули кисню з поверхнею твердої фази мають велике значення для розуміння механізмів реакцій за участю О2 на твердій поверхні. У цій роботі досліджена просторова і електронна структура кисневих дефектів і азотних домішкових центрів поверхні анатазу та їхні прояви в адсорбції води. Поверхня анатаза моделювалася кластерами складу Ti14H22O39 (бездефектна грань (001)), Ti14H22O38 (поверхня з кисневою вакансією) та Ti14H22N2O36 (поверхня з кисневою вакансією і впровадженими атомами азоту), які обмежуються атомами водню.Розрахунки величин повної енергії оптимізованих просторових структур модельних кластерів TiO2 і відповідних теоретичних спектрів РФЕС виконані з використанням методу теорії функціоналу густини (DFT) і гібридного функціоналу B3LYP з розширеним валентно-розщепленим базисним набором 6-31G (d, p).У РФЕС-спектрах O1s кожен пік може бути віднесений до певного типу атомів кисню в залежності від його координаційного оточення. Заміна атомами азоту атомів кисню призводить до ускладнення спектра. Одночасне заміщення атомами азоту атомів кисню і наявність кисневої вакансії призводять до подальшого ускладнення спектра РФЕС.Розглянуто також різну будову адсорбційних комплексів молекул води на поверхні анатазу, утворених завдяки водневому зв'язку HOH???O (при цьому в спектрі РФЕС відбувається зсув на 0.05 еВ всіх піків), або координаційної зв'язку Ti???OH2.На підставі аналізу теоретичних результатів розглянуто роль різних видів дефектів в адсорбції води на поверхні анатазу. Теоретично одержані результати порівнюються з властивостями молекулярних моделей для об’єму і поверхні діоксиду титану, які існують у літературі. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2019-05-21 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/499 10.15407/hftp10.02.103 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 10 No. 2 (2019): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 103-109 Химия, физика и технология поверхности; Том 10 № 2 (2019): Химия, физика и технология поверхности; 103-109 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 10 № 2 (2019): Хімія, фізика та технологія поверхні; 103-109 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp10.02 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/499/501 Copyright (c) 2019 O. V. Smirnova, A. G. Grebenyuk, V. V. Lobanov |
| spellingShingle | анатаз спектри РФЕС діоксид титану метод теорії функціоналу електронної густини кластерні моделі Smirnova, O. V. Grebenyuk, A. G. Lobanov, V. V. Ідентифікація хімічного оточення молекул води, адсорбованих на поверхні анатазу: квантовохімічні розрахунки |
| title | Ідентифікація хімічного оточення молекул води, адсорбованих на поверхні анатазу: квантовохімічні розрахунки |
| title_alt | Chemical environment of water molecules adsorbed on the anatase surface: quantum chemical study Идентификация химического окружения молекул воды, адсорбированных на поверхности анатаза: квантовохимические расчеты |
| title_full | Ідентифікація хімічного оточення молекул води, адсорбованих на поверхні анатазу: квантовохімічні розрахунки |
| title_fullStr | Ідентифікація хімічного оточення молекул води, адсорбованих на поверхні анатазу: квантовохімічні розрахунки |
| title_full_unstemmed | Ідентифікація хімічного оточення молекул води, адсорбованих на поверхні анатазу: квантовохімічні розрахунки |
| title_short | Ідентифікація хімічного оточення молекул води, адсорбованих на поверхні анатазу: квантовохімічні розрахунки |
| title_sort | ідентифікація хімічного оточення молекул води, адсорбованих на поверхні анатазу: квантовохімічні розрахунки |
| topic | анатаз спектри РФЕС діоксид титану метод теорії функціоналу електронної густини кластерні моделі |
| topic_facet | anatase oxygen defect nitrogen impurity water adsorption XPS spectra quantum chemical density functional theory (DFT) method cluster models анатаз спектри РФЕС діоксид титану метод теорії функціоналу електронної густини кластерні моделі анатаз спектры РФЭС диоксид титана метод теории функционала плотности кластерные модели |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/499 |
| work_keys_str_mv | AT smirnovaov chemicalenvironmentofwatermoleculesadsorbedontheanatasesurfacequantumchemicalstudy AT grebenyukag chemicalenvironmentofwatermoleculesadsorbedontheanatasesurfacequantumchemicalstudy AT lobanovvv chemicalenvironmentofwatermoleculesadsorbedontheanatasesurfacequantumchemicalstudy AT smirnovaov identifikaciâhimičeskogookruženiâmolekulvodyadsorbirovannyhnapoverhnostianatazakvantovohimičeskierasčety AT grebenyukag identifikaciâhimičeskogookruženiâmolekulvodyadsorbirovannyhnapoverhnostianatazakvantovohimičeskierasčety AT lobanovvv identifikaciâhimičeskogookruženiâmolekulvodyadsorbirovannyhnapoverhnostianatazakvantovohimičeskierasčety AT smirnovaov ídentifíkacíâhímíčnogootočennâmolekulvodiadsorbovanihnapoverhníanatazukvantovohímíčnírozrahunki AT grebenyukag ídentifíkacíâhímíčnogootočennâmolekulvodiadsorbovanihnapoverhníanatazukvantovohímíčnírozrahunki AT lobanovvv ídentifíkacíâhímíčnogootočennâmolekulvodiadsorbovanihnapoverhníanatazukvantovohímíčnírozrahunki |