Исследование распределения электронной плотности в монослойном TiS2 и нанокластере TiO методом компьютерного моделирования

UDC 544.723.23

Federal State Budgetary Institution of Science of the Order of the Red Banner of Labor Institute of Chemistry of Silicates. I.V. Grebenshchikov Russian

Academy of Sciences Russia, St. Petersburg Kovalko N.Yu.

Junior Researcher

Federal State Budgetary Institution of Science of the Order of the Red Banner of Labor Institute of Chemistry of Silicates. I.V. Grebenshchikov Russian

Academy of Sciences Russia, St. Petersburg STUDY OF ELECTRON DENSITY DISTRIBUTION IN MONO-LAYER

TiS2 AND TiO NANOCLUSTER BY COMPUTER SIMULATION METHOD

В настоящее время наблюдается значительный интерес к водородной энергетике. Создание материалов, способных хранить водород, является важной составляющей на пути продвижения транспортных средств на водородной тяге в повседневную жизнь [1]. Имеется множество материалов, которые в настоящее время расматриваются в качестве таких материалов, такие как, например, металл-органические каркасные структуры (англ. metalorganic frameworks, MOF), MgH2, углеродные нанотрубки, монослойные двумерные материалы, и многие другие. Среди них двумерные материалы рассматриваются как весьма перспективные, поскольку обладают высокой удельной поверхностью [1]. Согласно требованиям, обнародованным министерством энергетики США (англ. United States Department of Energy, DOE), материал для хранения водорода должен обладать следующими характеристиками: 1) гравиметрическая емкость и емкость на единицу объема должны быть не менее 7.5 вес% и 70 г/л, соответственно, 2) диапазон рабочих температур от -40°С до 60°С, 3) безопасность и надежность (1500 рабочих циклов) [2]. Чтобы удовлетворить данные жесткие требования исследователи ведут поск новых материалов и способов улучшения параметров уже существующих. Традиционно для увеличения сорбирующей способности двумерных материалов используют декорирование их поверхности катионами щелочных, щелочноземельных и переходных металлов [3]. Однако весьма интересным является недавнее использование в качестве декорирующего вещества нанокластеров оксидов, таких, как например SiO2 [4]. Важным свойством как для построения данной декорированной системы, так и для определения сорбирующих свойств может оказаться распределение электронной плотности в данных объектах исследования. Перечисленные выше методы и объекты будут использоваться в данной работе, а именно будет исследовано распределение электронной плотности в нанокластере TiO и монослойном TiS2.

Все расчеты периодических твердых тел методом функционала электронной плотности (англ. density functional theory, DFT) были выполнены с использованием программного пакета Quantum ESPRESSO [5]. С помошью данной программы проводилась релаксация структуры изучаемых объектов. Для анализа структуры и распределения электронной плотности нами использовался программный пакет VESTA [6].

Результаты исследования распределения электронной плотности монослойного TiS 2 представлены на следующем рисунке:

Рисунок – распределение электронной плотности в монослойном TiS 2 . Изоповерхность посторена для концентрации электронов 0.1 e Å^-3.

Из рисунка видно, что вид распределния электронной плотности свидетельствует о перераспределении электронов в сторону атомов S.

Что касается нанокластера TiO, то результаты исследования распределения электронной плотности представлены на следующем рисунке:

Рисунок – распределение электронной плотности в наноклатере TiO. Изоповерхность посторена для концентрации электронов 0.1 e Å^-3.

В данном случае электронная плотность концентрируется вокруг атомов Ti.

В работе показано, что распределение электронной плотности в монослойном TiS2 и нанокластере TiO имеет двояковыраженный характер: в то время как в первом электронная плотность концентрируется вокруг анионов, во втором – электронная плотность концентрируется вокруг катионов. Данная особенность может иметь интересное последствие при размещении нанокластера на поверхности монослойного материала: ожидается существенное перераспределение электронной плотности.

Работа поддержана стипендией Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики: СП-1826.2018.1.