Квантовохімічне моделювання кислотно-основних властивостей поверхні наночастинок SnO2
Molecular models for tin dioxide nanoparticles containing 1-7 metal atoms and coordinated or constitutive water have been constructed. Dependent on the composition of the models, the coordination number of the tin atom varied from 4 to 6, and that of oxygen was 2 or 3. The considered models containe...
Saved in:
| Date: | 2023 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2023
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/697 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543951842967552 |
|---|---|
| author | Filonenko, O. V. Grebenyuk, A. G. Terebinska, M. I. Lobanov, V. V. |
| author_facet | Filonenko, O. V. Grebenyuk, A. G. Terebinska, M. I. Lobanov, V. V. |
| author_sort | Filonenko, O. V. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2023-12-03T12:04:17Z |
| description | Molecular models for tin dioxide nanoparticles containing 1-7 metal atoms and coordinated or constitutive water have been constructed. Dependent on the composition of the models, the coordination number of the tin atom varied from 4 to 6, and that of oxygen was 2 or 3. The considered models contained both terminal (Sn–OH) and bridging (Sn–OH–Sn) hydroxyl groups, and also bridging (Sn–O–Sn) groups. Their equilibrium spatial and electronic structures were calculated using the second-order M?ller-Plesset perturbation theory method with the SBKJC valence-only basis set. To assess the gas-phase acidity of the dioxide surface, the deprotonation energy of the studied models was determined. The adsorption energy of water molecules and hydroxide ions on aprotic (incompletely coordinated) tin atoms, which act as Lewis acid centers, was calculated. In order to estimate the pKa value of the surface of tin dioxide, the Gibbs free energy was calculated for the process of formation of ion pairs due to the proton transfer from hydroxyl groups to adsorbed water molecules. Based on the analysis of the energy effects of the coordination of water molecules and of hydroxide ion, the removal of a proton and its transfer on the hydrated surface of tin dioxide, quantitative estimates have been made of the acid-base characteristics of the active sites of the SnO2 surface. The dependence of the acidity of hydroxyl groups and coordinated water molecules on the coordination number of the oxygen atom and the neighboring tin atom, as well as on the dimensions of the cluster model, was revealed. It is shown that the acidity of protonic and aprotic sites naturally decreases with an increase in the coordination number of the tin atom. The method of calculating the value of pKa used in the work for the smallest model of the SnO2?2H2O composition allows one to reproduce the experimental data for stannic acids. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:35:07Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-697 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-17T12:08:37Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-6972023-12-03T12:04:17Z Quantum chemical simulation of acid-base properties of the surface of SnO2 nanoparticles Квантовохімічне моделювання кислотно-основних властивостей поверхні наночастинок SnO2 Filonenko, O. V. Grebenyuk, A. G. Terebinska, M. I. Lobanov, V. V. SnO2 nanoparticles Møller-Plesset second order perturbation theory cluster model acid-base properties gas phase acidity proton transfer наночастинки SnO2 теорія збурень Меллера-Плессета другого порядку кластерна модель кислотно-основні властивості газофазна кислотність перенесення протона Molecular models for tin dioxide nanoparticles containing 1-7 metal atoms and coordinated or constitutive water have been constructed. Dependent on the composition of the models, the coordination number of the tin atom varied from 4 to 6, and that of oxygen was 2 or 3. The considered models contained both terminal (Sn–OH) and bridging (Sn–OH–Sn) hydroxyl groups, and also bridging (Sn–O–Sn) groups. Their equilibrium spatial and electronic structures were calculated using the second-order M?ller-Plesset perturbation theory method with the SBKJC valence-only basis set. To assess the gas-phase acidity of the dioxide surface, the deprotonation energy of the studied models was determined. The adsorption energy of water molecules and hydroxide ions on aprotic (incompletely coordinated) tin atoms, which act as Lewis acid centers, was calculated. In order to estimate the pKa value of the surface of tin dioxide, the Gibbs free energy was calculated for the process of formation of ion pairs due to the proton transfer from hydroxyl groups to adsorbed water molecules. Based on the analysis of the energy effects of the coordination of water molecules and of hydroxide ion, the removal of a proton and its transfer on the hydrated surface of tin dioxide, quantitative estimates have been made of the acid-base characteristics of the active sites of the SnO2 surface. The dependence of the acidity of hydroxyl groups and coordinated water molecules on the coordination number of the oxygen atom and the neighboring tin atom, as well as on the dimensions of the cluster model, was revealed. It is shown that the acidity of protonic and aprotic sites naturally decreases with an increase in the coordination number of the tin atom. The method of calculating the value of pKa used in the work for the smallest model of the SnO2?2H2O composition allows one to reproduce the experimental data for stannic acids. Побудовано молекулярні моделі наночастинок діоксиду стануму, які містять 1-7 атомів металу і можуть включати координовану або конституційну воду. В залежності від складу моделей, координаційне число атома Стануму змінювалось від 4 до 6, а Оксигену – становило 2 або 3. Розглянуті моделі містили як термінальні (Sn–OH), так і місткові (Sn–OH–Sn) гідроксильні групи, а також місткові (Sn–O–Sn) групи. Методом теорії збурень Меллера-Плессета другого порядку з валентним базисним набором SBKJC та відповідним ефективним остовним потенціалом розраховано їхню рівноважну просторову та електронну будову. Для оцінки газофазної кислотності поверхні діоксиду стануму визначено енергію депротонування досліджуваних моделей. Розраховано енергію адсорбції молекул води та гідроксид-іонів на апротонних (неповнокоординованих) атомах Стануму, які виcтупають в ролі кислотних центрів Льюїса. З метою оцінки величини рКа поверхні діоксиду стануму розраховано вільну енергію Гіббса для процесу утворення іонних пар завдяки перенесенню протона від гідроксильних груп до адсорбованих молекул води. На підставі аналізу енергетичних ефектів координації молекул води та гідроксид-іона, видалення протона та його перенесення на гідратованій поверхні діоксиду стануму зроблено кількісні оцінки кислотно-основних характеристик активних центрів поверхні SnO2. Виявлено залежність кислотності гідроксильних груп та координованих молекул води від координаційного числа атома Оксигену та сусіднього атома Стануму, а також від розмірів кластерної моделі. Показано, що кислотність протонних та апротонних центрів залежить від їхнього оточення та закономірно зменшується при збільшенні координаційного числа атома Стануму. Використана в роботі методика розрахунку величини рКа для найменшої моделі складу SnO2?2H2O дозволяє відтворити експериментальні дані для станатних кислот. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2023-11-22 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/697 10.15407/hftp14.04.495 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 14 No. 4 (2023): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 495-503 Химия, физика и технология поверхности; Том 14 № 4 (2023): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 495-503 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 14 № 4 (2023): Хімія, фізика та технологія поверхні; 495-503 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp14.04 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/697/712 Copyright (c) 2023 O. V. Filonenko, A. G. Grebenyuk, M. I. Terebinska, V. V. LobanovO. V. Filonenko, A. G. Grebenyuk, M. I. Terebinska, V. V. Lobanov |
| spellingShingle | наночастинки SnO2 теорія збурень Меллера-Плессета другого порядку кластерна модель кислотно-основні властивості газофазна кислотність перенесення протона Filonenko, O. V. Grebenyuk, A. G. Terebinska, M. I. Lobanov, V. V. Квантовохімічне моделювання кислотно-основних властивостей поверхні наночастинок SnO2 |
| title | Квантовохімічне моделювання кислотно-основних властивостей поверхні наночастинок SnO2 |
| title_alt | Quantum chemical simulation of acid-base properties of the surface of SnO2 nanoparticles |
| title_full | Квантовохімічне моделювання кислотно-основних властивостей поверхні наночастинок SnO2 |
| title_fullStr | Квантовохімічне моделювання кислотно-основних властивостей поверхні наночастинок SnO2 |
| title_full_unstemmed | Квантовохімічне моделювання кислотно-основних властивостей поверхні наночастинок SnO2 |
| title_short | Квантовохімічне моделювання кислотно-основних властивостей поверхні наночастинок SnO2 |
| title_sort | квантовохімічне моделювання кислотно-основних властивостей поверхні наночастинок sno2 |
| topic | наночастинки SnO2 теорія збурень Меллера-Плессета другого порядку кластерна модель кислотно-основні властивості газофазна кислотність перенесення протона |
| topic_facet | SnO2 nanoparticles Møller-Plesset second order perturbation theory cluster model acid-base properties gas phase acidity proton transfer наночастинки SnO2 теорія збурень Меллера-Плессета другого порядку кластерна модель кислотно-основні властивості газофазна кислотність перенесення протона |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/697 |
| work_keys_str_mv | AT filonenkoov quantumchemicalsimulationofacidbasepropertiesofthesurfaceofsno2nanoparticles AT grebenyukag quantumchemicalsimulationofacidbasepropertiesofthesurfaceofsno2nanoparticles AT terebinskami quantumchemicalsimulationofacidbasepropertiesofthesurfaceofsno2nanoparticles AT lobanovvv quantumchemicalsimulationofacidbasepropertiesofthesurfaceofsno2nanoparticles AT filonenkoov kvantovohímíčnemodelûvannâkislotnoosnovnihvlastivostejpoverhnínanočastinoksno2 AT grebenyukag kvantovohímíčnemodelûvannâkislotnoosnovnihvlastivostejpoverhnínanočastinoksno2 AT terebinskami kvantovohímíčnemodelûvannâkislotnoosnovnihvlastivostejpoverhnínanočastinoksno2 AT lobanovvv kvantovohímíčnemodelûvannâkislotnoosnovnihvlastivostejpoverhnínanočastinoksno2 |