Квантовохімічне дослідження фізико-хімічних характеристик наноматеріалів на основі діоксиду Sn
The molecular models of tin dioxide nanoparticles containing 1 – 10 metal atoms and can include coordinated or constitutive water were constructed. Their equilibrium spatial structure and electronic structure are calculated using the second-order Möller – Plesset perturbati...
Gespeichert in:
| Datum: | 2024 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2024
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/779 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Surface |
Institution
Surface| _version_ | 1869291972830691328 |
|---|---|
| author | Філоненко, О.В. Гребенюк, А.Г. Лобанов, В.В. |
| author_facet | Філоненко, О.В. Гребенюк, А.Г. Лобанов, В.В. |
| author_institution_txt_mv | [] |
| author_sort | Філоненко, О.В. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2025-02-04T10:40:31Z |
| description | The molecular models of tin dioxide nanoparticles containing 1 – 10 metal atoms and can include coordinated or constitutive water were constructed. Their equilibrium spatial structure and electronic structure are calculated using the second-order Möller – Plesset perturbation theory with the SBKJC valence basis set. It is shown that the length of the Sn–O bond in nanoclusters does not depend on their size and the coordination number of Sn atoms, but is determined by the coordination type of neighboring oxygen atoms. Namely, the Sn–O(3) bond length (~ 2.10 Å) > the Sn–O(2) bond length (~ 1.98 Å). The obtained Sn–O(3) bond lengths are in good agreement with the experimental values for crystalline SnO2 samples (2.05 Å). The calculated atomization energy for SnO2 is 1661 kJ/mol and satisfactorily corresponds to the experimentally measured specific atomization energy of crystalline SnO2 (1381 kJ/mol). It was found that a satisfactory reproduction of the experimental characteristics of crystalline tin dioxide is possible when using clusters containing at least 10 tin atoms, for example, (SnO2)10×14H2O. Based on the analysis of the energy effects of coordination of water molecules and hydroxide ion, proton removal and proton transfer on the hydrated surface of tin dioxide, quantitative estimates of the acid-base characteristics of the active centers of the SnO2 surface were made. 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 size of the cluster model, was revealed. It has been shown that the acidity of proton and aproton centers naturally decreases with increasing coordination number of the tin atom. The methodology used in this work to calculate the рКа value of the smallest model of the SnO2×H2O composition allows us to reproduce the experimental data for stannous acids. The mechanisms of formation of the simplest nanostructures from the initial forms of stannous hydroxide Sn(OH)4 are proposed. It has been shown that the formation of a dimer (SnO2)2×4H2O by the association of two Sn(OH)4 molecules is energetically most advantageous. Further transformations of nanoparticles lead to an increase in their size, dehydration, and the formation of denser structures that have crystallinity features inherent in solid-phase SnO2. |
| doi_str_mv | 10.15407/Surface.2024.16.003 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:46:02Z |
| format | Article |
| fulltext | |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-779 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-09-24T17:46:02Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-7792025-02-04T10:40:31Z Quantum chemical study of the phisical and chemical characteristics of nanomaterials based on tin dioxide Квантовохімічне дослідження фізико-хімічних характеристик наноматеріалів на основі діоксиду Sn Філоненко, О.В. Гребенюк, А.Г. Лобанов, В.В. SnO2 nanoparticles density functional theory econd-order Miller – Plesset perturbation theory cluster model acid-base properties gas-phase acidity proton transfer наночастинки SnO2 теорія функціоналу густини теорія збурень Меллера – Плессета другого порядку кластерна модель кислотно-основні властивості газофазна кислотність перенесення протона The molecular models of tin dioxide nanoparticles containing 1 – 10 metal atoms and can include coordinated or constitutive water were constructed. Their equilibrium spatial structure and electronic structure are calculated using the second-order Möller – Plesset perturbation theory with the SBKJC valence basis set. It is shown that the length of the Sn–O bond in nanoclusters does not depend on their size and the coordination number of Sn atoms, but is determined by the coordination type of neighboring oxygen atoms. Namely, the Sn–O(3) bond length (~ 2.10 Å) > the Sn–O(2) bond length (~ 1.98 Å). The obtained Sn–O(3) bond lengths are in good agreement with the experimental values for crystalline SnO2 samples (2.05 Å). The calculated atomization energy for SnO2 is 1661 kJ/mol and satisfactorily corresponds to the experimentally measured specific atomization energy of crystalline SnO2 (1381 kJ/mol). It was found that a satisfactory reproduction of the experimental characteristics of crystalline tin dioxide is possible when using clusters containing at least 10 tin atoms, for example, (SnO2)10×14H2O. Based on the analysis of the energy effects of coordination of water molecules and hydroxide ion, proton removal and proton transfer on the hydrated surface of tin dioxide, quantitative estimates of the acid-base characteristics of the active centers of the SnO2 surface were made. 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 size of the cluster model, was revealed. It has been shown that the acidity of proton and aproton centers naturally decreases with increasing coordination number of the tin atom. The methodology used in this work to calculate the рКа value of the smallest model of the SnO2×H2O composition allows us to reproduce the experimental data for stannous acids. The mechanisms of formation of the simplest nanostructures from the initial forms of stannous hydroxide Sn(OH)4 are proposed. It has been shown that the formation of a dimer (SnO2)2×4H2O by the association of two Sn(OH)4 molecules is energetically most advantageous. Further transformations of nanoparticles lead to an increase in their size, dehydration, and the formation of denser structures that have crystallinity features inherent in solid-phase SnO2. Побудовано молекулярні моделі наночастинок діоксиду стануму, які містять 1 – 10 атомів металу і можуть включати координовану або конституційну воду. Методом теорії збурень Меллера – Плессета другого порядку з валентним базисним набором SBKJC розраховано їхню рівноважну просторову структуру та електронну будову. Показано, що довжина зв’язку Sn–O в нанокластерах не залежить від їхнього розміру та координаційного числа атомів Sn, а визначається координаційним типом сусідніх атомів Оксигену.   А  саме,  довжина  зв’язку  Sn–O  (3) (~ 2.10 Å) > довжини  зв’язку  Sn–O  (2)  (~ 1.98 Å). Одержані довжини зв’язку Sn–O (3) добре узгоджуються із експериментальними значеннями для кристалічних зразків SnO2 (2.05 Å). Розрахована енергія атомізації для SnO2 складає 1661 кДж/моль і задовільно відповідає експериментально виміряній питомій енергії атомізації кристалічного SnO2 (1381 кДж/моль). Встановлено, що задовільне відтворення екпериментальних характеристик кристалічного діоксиду стануму можливе при використанні кластерів, які містять щонайменше 10 атомів Cтануму, наприклад, (SnO2)10×14H2O. 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 закономірно зменшується при збільшенні координаційного числа атома Стануму. Використана в роботі методика розрахунку величини рКа найменшої моделі складу SnO2×H2O дозволяє відтворити експериментальні дані для станатних кислот. Запропоновано механізми формування найпростіших наноструктур з вихідних форм гідрооксиду стануму Sn(OH)4. Показано, що енергетично найбільш вигідним є утворення димера (SnO2)2×4H2O при асоціації двох молекул Sn(OH)4. Подальші перетворення наночастинок призводять до збільшення їхніх розмірів, дегідратації та утворення більш щільних структур, які мають ознаки кристалічності, властиві твердофазному SnO2. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2024-11-24 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/779 10.15407/Surface.2024.16.003 Surface; No. 16(31) (2024): Surface; 3-25 Поверхность; № 16(31) (2024): Поверхня; 3-25 Поверхня; № 16(31) (2024): Поверхня; 3-25 3154-8091 3154-8083 10.15407/Surface.2024.16 uk https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/779/774 Авторське право (c) 2024 О.В. Філоненко, А.Г. Гребенюк, В.В. Лобанов |
| spellingShingle | наночастинки SnO2 теорія функціоналу густини теорія збурень Меллера – Плессета другого порядку кластерна модель кислотно-основні властивості газофазна кислотність перенесення протона Філоненко, О.В. Гребенюк, А.Г. Лобанов, В.В. Квантовохімічне дослідження фізико-хімічних характеристик наноматеріалів на основі діоксиду Sn |
| title | Квантовохімічне дослідження фізико-хімічних характеристик наноматеріалів на основі діоксиду Sn |
| title_alt | Quantum chemical study of the phisical and chemical characteristics of nanomaterials based on tin dioxide |
| title_full | Квантовохімічне дослідження фізико-хімічних характеристик наноматеріалів на основі діоксиду Sn |
| title_fullStr | Квантовохімічне дослідження фізико-хімічних характеристик наноматеріалів на основі діоксиду Sn |
| title_full_unstemmed | Квантовохімічне дослідження фізико-хімічних характеристик наноматеріалів на основі діоксиду Sn |
| title_short | Квантовохімічне дослідження фізико-хімічних характеристик наноматеріалів на основі діоксиду Sn |
| title_sort | квантовохімічне дослідження фізико-хімічних характеристик наноматеріалів на основі діоксиду sn |
| topic | наночастинки SnO2 теорія функціоналу густини теорія збурень Меллера – Плессета другого порядку кластерна модель кислотно-основні властивості газофазна кислотність перенесення протона |
| topic_facet | SnO2 nanoparticles density functional theory econd-order Miller – Plesset perturbation theory cluster model acid-base properties gas-phase acidity proton transfer наночастинки SnO2 теорія функціоналу густини теорія збурень Меллера – Плессета другого порядку кластерна модель кислотно-основні властивості газофазна кислотність перенесення протона |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/779 |
| work_keys_str_mv | AT fílonenkoov quantumchemicalstudyofthephisicalandchemicalcharacteristicsofnanomaterialsbasedontindioxide AT grebenûkag quantumchemicalstudyofthephisicalandchemicalcharacteristicsofnanomaterialsbasedontindioxide AT lobanovvv quantumchemicalstudyofthephisicalandchemicalcharacteristicsofnanomaterialsbasedontindioxide AT fílonenkoov kvantovohímíčnedoslídžennâfízikohímíčnihharakteristiknanomateríalívnaosnovídíoksidusn AT grebenûkag kvantovohímíčnedoslídžennâfízikohímíčnihharakteristiknanomateríalívnaosnovídíoksidusn AT lobanovvv kvantovohímíčnedoslídžennâfízikohímíčnihharakteristiknanomateríalívnaosnovídíoksidusn |