Исследование механизма взаимодействия бороуглеродного слоя BC3 c компонентами дыма SO2, H2S и CO

DOI:

Монослой BC3 представляет собой гексагональную сетку из атомов бора и углерода. Для моделирования процесса присоединения атомов (СO, SO2, H2S) была смоделирована расширенная элементарная ячейка BC3, состоящая из 24 атомов бора и 72 атомов углерода. Краевые эффекты были исключены путем замыкания псевдоатомами водорода. Пример расширенной элементарной ячейки BC3 представлены на рисунке 1. Расчеты проводились в рамках теории функционала плотности, с использованием функционала B3LYP, который хорошо себя зарекомендовал для расчета графеноподобных структур и имеет хорошую сходимость с экспериментальными данными. Нужно отметить, что данный функционал превосходит по своей точности все известные неэмпирические методы и хорошо применим для поиска основных электронно-энергетических характеристик многоатомных систем [3; 4].

Длины связей В-С были нами оптимизированы для используемого метода и функционала и составили 1,48 Å.

Нами была рассчитана энергия связи атомов рассматриваемого фрагмента одноатомного слоя ВС3 по формуле (1). Данные для расчета были получены путем квантово-химических расчетов и представлены в таблице.

Есв = EВС3 – (NBEB + NCEc). (1)

Тот факт, что значение энергии связи получилось отрицательным, подтверждает стабильность рассматриваемой структуры [5; 6].

В данном пункте представлены результаты исследования процесса приближения молекулы монооксида углерода CO (молекула угарного газа) к слою BC3. Были рассмотрены бездефектный и дефектный слои. В качестве дефекта рассматривалась одиночная вакансия в центре слоя. Для получения энергетической зависимости процесса присоединения CO к слою, молекула CO нормально приближалась к центральным атомам (B и C) или к фиктивному атому, который отождеств-

Рис. 1. Фрагмент расширенной элементарной ячейки BC3

Энергии одиночных атомов и слоя ВС₃ ( Е ), N – число атомов в слое, Е _св – энергия связи слоя ВС₃

Атом В Атом С ВС3 Е, эВ -24,39 -37,39 -3314,18 N 24 72 – Есв, эВ -37,36 лялся нами как вакансия (рис. 2 и 3). Шаг, с которым происходило приближение СО составлял 0,1 Å, молекула была развернута к слою атомом углерода. Расчет потенциальной энергии на каждом шаге позволил получить энергетические кривые приближения молекулы угарного газа к выбранным адсорбционным центрам.

Формула для проведения нормировки потенциальной энергии структуры:

Е = ЕВС3 + СО – (ЕВС3 + ЕСО).     (2)

В случае приближения CO к бору, минимум энергии не наблюдается рисунке 2а.

В случае приближения атома CO к фиктивному атому (вакансия), на графике наблюдается минимум энергии, приходящийся на расстояние 1,4 Å (рис. 3а). При этом происходит незначительное изменение ширины запрещенной зоны рассматриваемой структуры с атомом СО, ΔЕg ~ 0,01 эВ. Данное изменение можно рассматривать как отклик систе- мы на присутствие вблизи одиночной молекулы угарного газа.

Следующим этапом нашего исследования стало изучение процесса приближения молекулы оксида серы SO2 (сернистый газ) и сероводорода H2S к слою BC3. Аналогичным образом производился расчет потенциальной энергии адсорбции, как в случае с молекулой CO, шаг приближения молекул к слою составил 0,2 Å. Проведенные расчеты показали, что при приближении SO2 и H2S к поверхностному атому B, потенциальная энергия системы возрастает, как показано на рисунках 4а и 5а.

Профили поверхности потенциальной энергии процесса приближения атома SO2, H2S к слою BC3 представлены на рисунках 4 и 5.

Таким образом, был изучен процесс присоединения молекул SO2, H2S и CO к атомам бороуглеродного слоя, и установлено, что адсорбция возможна лишь в отношении молекул угарного газа и только в слое, содержащем вакансионный дефект.

Рис. 2. Молекула CO над атомом В расширенной элементарной ячейки BC3

Рис. 2а. Профиль поверхности потенциальной энергии присоединения CO к слою BC3 в положении над атомом B

Рис. 3. Молекула CO над фиктивным атомом расширенной элементарной ячейки BC3

Рис. 3а. Профиль поверхности потенциальной энергии присоединения CO к слою BC3 в положении над фиктивным атомом

Рис. 4. SO2 на расширенной элементарной ячейки BC3, присоединено над атомом B

Рис. 4а. Профиль поверхности потенциальной энергии присоединения SO2 к слою BC3

Рис. 5. Молекула H2S над слоем BC3, положение над атомом B

Рис. 5а. Профиль поверхности потенциальной энергии присоединения H2S к слою BC3

Использование беспримесных и бездефектных двумерных слоев ВС3 в качестве претендентов на роль сенсорных устройств в отношении компонентов дыма SO2, H2S и CO считаем не целесообразным.