Исследование адсорбционных характеристик двумерного бора

Область двумерных (2D) материалов значительно расширилась в последние годы благодаря открытию графена, а затем и множеству новых материалов с уникальными свойствами. Среди этих новых материалов двумерный бор, который привлек значительное внимание благодаря своей структуре и потенциальным применениям в различных научных областях. В центре внимания исследований этого материала -выяснение его адсорбционных свойств, которые открывают значительные перспективы для различных технологических применений [1].

Адсорбционное поведение двумерного бора неразрывно связано с его атомной структурой, которая заметно отличается от обычных двумерных материалов на основе углерода, таких как графен. В то время как графен имеет гексагональную решетку атомов углерода, 2D-6op демонстрирует более сложную структуру, характеризующуюся треугольными и гексагональными мотивами. Это структурное разнообразие не только обеспечивает множество мест связывания адсорбатов, но также управляет электронными свойствами материала, тем самым формируя его адсорбционные характеристики [2].

Отличительной особенностью 2D-бopа является его исключительно высокое со- отношение площади поверхности к объему, что является следствием его двумерной природы. Это свойство делает его очень привлекательным для применений, основанных на адсорбции, где максимизация площади поверхности имеет решающее значение для эффективных процессов связывания и разделения молекул. Например, хранение газа может значительно выиграть от большой площади поверхности двумерного бора, открывая перспективы повышения производительности в приложениях хранения и транспортировки энергии [3, 4].

Изучение процесса адсорбции атомов на поверхности борного слоя изучалось в рамках расчетной схемы MNDO на примере атома кислорода. Геометрия системы оптимизировалась в процессе расчета [5].

Рассмотрены 5 вариантов ориентации адсорбирующегося атома кислорода относительно поверхности монослоя бора:

• 1)    над атомом бора, образующего 4 связи с соседними атомами;

• 2)    над атомом бора, образующего 5 связей с соседними атомами;

• 3)    над серединой гексагона;

• 4)    над серединой B-B связи, образующую сторону гексагона;

• 5)    над серединой В-Всвязи образующую сторону в треугольнике (рис. 1).

  

  Рис. 1. Пять вариантов расположения адсорбирующегося атома кислорода над поверхностью монослоя бора

  
  

Процесс адсорбции в 1 и 2 случае моделировался поэтапному приближению к атому бора, который находился в середине борного кластера, чтобы минимализиро-вать влияние краевых эффектов. Адсорбирующийся атом приближался с шагом 0.1Å к слою бора вдоль отрезка перпенди- кулярного слою и соединяющего адатом с атомом бора. Пошаговое приближение атома к гексагональному бору позволило построить профиль поверхности потенциальной энергии системы «плоский бор – атом кислорода» (рис. 2).

Рис. 2. Профили поверхности потенциальной энергии взаимодействия атомов кислорода с поверхностью борного слоя для пяти вариантов расположения их относительно борного слоя

В 3-5 случаях атом кислорода пошагово подходили к ложной точке, которая располагалась над центром борного гексагона, либо над центром связи В-В.

Анализ энергетических кривых адсорбционного процесса показал, что атомы кислорода адсорбируются на монослое бора, что подтверждается существованием минимума на графике, данный факт иллюстрирует образование химической связи в данной точке, т.е. реализуется химическая адсорбция (рис. 2). Основные энергетические характеристики процесса адсорбции атома кислорода на поверхности борного слоя представлены в таблице.

Таблица 1. Основные характеристики адсорбции атома кислорода на поверхности плоского бора: Eад – энергия адсорбции, Rад – расстоянии адсорбции, Еа – энергия активации (энергетический барьер)

Адсорбционное поведение двумерного бора включает в себя целый спектр механизмов, включая физическую и хемосорбцию, в зависимости от таких факторов, как природа адсорбата и химия поверхности материала. Присутствие ненасыщенных атомов бора на поверхности создает активные центры, способствующие химиче- скому связыванию, что приводит к повышению стабильности и селективности в процессах адсорбции. Этот двойной механизм расширяет сферу потенциальных применений двумерного бора, начиная от газового зондирования и заканчивая катализом и не только.