Квантово-хімічні дослідження взаємодії частково окиснених графеноподібних площин між собою

Автор(и)

  • Ю.В. Гребельна Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України, Київ, Україна
  • Є.М. Дем’яненко Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України, Київ, Україна
  • М.І. Терець Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України, Київ, Україна
  • Ю.І. Семенцов Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України, Київ, Україна; Ніньбо технологічний університет, Ніньбо, Китай
  • В.В. Лобанов Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України, Київ, Україна
  • А.Г. Гребенюк Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України, Київ, Україна
  • В.С. Куць Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України, Київ, Україна
  • С.В. Журавський Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України, Київ, Україна
  • О.В. Хора Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України, Київ, Україна
  • М.Т. Картель Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України, Київ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.24.2.269-277

Ключові слова:

окиснені графеноподібні площини, хімічна реакція, пірен, коронен, метод теорії функціонала густини, кластерне наближення

Анотація

Методами квантової хімії з’ясовані енергетичні ефекти взаємодії частково окиснених графеноподібних площин між собою і їхня залежність від природи оксигенвмісних функціональних груп, які наявні в них, а також від розмірів самих графеноподібних площин. Встановлено, що найбільш термодинамічно ймовірною є реакція між гідроксильною і альдегідною групами двох взаємодіючих графеноподібних площин незалежно від їхніх розмірів. Найменш термодинамічно ймовірною є реакція між двома карбоксильними групами різних графеноподібних площин. Для створення нанокомпозитів при взаємодії графеноподібних площин між собою, необхідно щоб у складі графеноподібних площин були наявні гідроксильні і альдегідні групи.

Посилання

F. Farjadian, S. Abbaspour, M.A.A. Sadatlu et al., Recent Developments in Graphene and Graphene Oxide: Properties, Synthesis, and Modifications: A Review, Chemistry Select, 5(33), 10200 (2020); https://doi.org/10.1002/slct.202002501.

X. Liua, A.L. Miller, S. Parkc et al., Covalent crosslinking of graphene oxide and carbon nanotube into hydrogels enhances nerve cell responses, J. Mater. Chem. B., 4(43), 6930 (2016); https://doi.org/10.1039/c6tb01722c.

X. Cui, S. Xu, X. Wang, C. Chen, The nano-bio interaction and biomedical applications of carbon nanomaterials, Carbon, 138, 436 (2018); https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.07.069.

S. Bhattacharjee, R. Joshi, A. A. Chughtai, et al., Graphene modified multifunctional personal protective clothing, Adv. Mater. Interfaces, 6, 1900622 (2019); https://doi.org/10.1002/admi.201900622.

S. I. Ahmad., H. Hamoudi, A. Abdala et al., Graphene-Reinforced Bulk Metal Matrix Composites: Synthesis, Microstructure, and Properties, Rev. Adv. Mater. Sci., 59, 67 (2020); https://doi.org/10.1515/rams-2020-0007.

J. Wang, J. Zhou, Y. Hu, T. Regier, Chemical interaction and imaging of single Co3O4/graphene sheets studied by scanning transmission X-ray microscopy and X-ray absorption spectroscopy, Energy Environ. Sci., 6, 926 (2013); https://doi.org/10.1039/c2ee23844f.

Z. Jia, Y. Wang, Covalently crosslinkedgraphene oxide membranes by esterification reactions for ions separation, J. Mater. Chem. A, 3, 4405 (2015); https://doi.org/10.1039/C4TA06193D.

W. Xing, H. Li, G. Huang et al., Graphene oxide induced crosslinking and reinforcement of elastomers, Composites Science and Technology, 144, 223 (2017); http://dx.doi.org/10.1016/j.compscitech.2017.03.006.

C. A. Amarnath, C. E. Hong, N. H. Kim et al., Efficient synthesis of graphene sheets using pyrrole as a reducing agent, Carbon 49, 3497 (2011); http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2011.04.048.

J. Su, M. Jia, W. Wu, et al. Chemical vapor crosslinking of graphene oxide membranes for controlling nanochannels, Environ. Sci.: Nano, 7, 2924 (2020); https://doi.org/10.1039/D0EN00710B.

M. Chougan, F. R. Lamastra, D. Caschera, et al. Cementitiousnanocomposites engineered with high-oxidized graphene oxide: Spotting the nano to macro correlation, Ceramics International, 49, 964 (2023); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.09.070.

W. Yu, L. Sisi, Y. Haiyana, L. Jie, Progress in the functional modification of graphene/graphene oxide: a review, RSC Adv., 10, 15328 (2020); https://doi.org/10.1039/d0ra01068e.

A. Verma, A. Parashara, M. Packirisamy, Effect of grain boundaries on the interfacial behaviour of graphenepolyethylenenanocomposite, Applied Surface Science, 470(15) 1085 (2019); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.11.218.

T. Seifi, A. R. Kamali, Anti-pathogenic activity of graphene nanomaterials: A review, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 199, 111509 (2021); https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2020.111509.

F. Nie, W. Jian, D. Lau, An atomistic study on the thermomechanical properties of graphene and functionalized graphene sheets modified asphalt, Carbon, 182, 615 (2021); https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.06.055.

F. Tarannum, R. Muthaiah, S. Danayat, et al., Chemically Edge-CarboxylatedGraphene Enhances the Thermal Conductivity of Polyetherimide–GrapheneNanocomposites, ACS Appl. Mater. Interfaces, 14(12), 14753 (2022); https://doi.org/10.1021/acsami.1c25279.

Y. Liang, D. Wu, X. Feng et al., Dispersion of Graphene Sheets in Organic Solvent Supported by Ionic Interactions, Adv. Mater., 21, 1679 (2009); https://doi.org/10.1002/adma.200803160.

A. Vallin, D. Battegazzore, G. Damonte et al., On the Development of Nanocomposite Covalent Associative Networks Based on Polycaprolactone and Reduced Graphite Oxide Nanomaterials, 12, 3744 (2022); https://doi.org/10.3390/nano12213744.

B. Li, C.-G. Wang, N. Erdeanna et al., Microscopically tuning the graphene oxide framework for membrane separations: a review, Nanoscale Adv., 3, 5265 (2021); https://doi.org/10.1039/d1na00483b.

B. Wu, F. Du, W. A et al., Graphene-based hemostatic sponge, Chinese Chemical Letters, 33, 703 (2022); https://doi.org/10.1016/j.cclet.2021.06.029.

Y. Jiang, Y. Wang, Z. Xu et al., Conformation engineering of two-dimensional macromolecules: a case study with graphene oxide, Acc. Mater. Res. 1(3), 175 (2020), – 187 https://doi.org/10.1021/accountsmr.0c00027.

H. Huang, H. Park, J. Huang, Self-crosslinking of graphene oxide sheets by dehydration, Chem, 8(9), 2432 (2022); https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.05.016.

E.M. Demianenko, M.I. Terets, L.M. Ushakova, et al., A theoretical study on the effect of heteroatoms (N, B, Si) on the interaction of aluminum clusters with a carbon graphene-like plane, Chemistry, Physics and Technology of Surface, 13(4) 391 (2022); https://doi.org/10.15407/hftp13.04.391.

E.M. Demianenko, M.I. Terets, S.V. Zhuravskyi et al., Theoretical simulation of the interaction of Fe2 cluster with a N, B, Si-containing carbon graphene-like plane, Surface, 14(29), 37 (2022); https://doi.org/10.15407/Surface.2022.14.037. [in Ukrainian].

E.M. Demianenko, М.І. Теrets, Yu.I. Sementsov et al., Theoretical study on the effect of carbon graphenous nanoclusters on the stability and capacity of polyamide in a nanocomposite, Chemistry, Physics and Technology of Surface. 10(4), 355 (2019); https://doi.org/10.15407/hftp10.04.355.

E. Fuente, J. A. Menendez, M. A. Dıez et al., Infrared Spectroscopy of Carbon Materials: A Quantum Chemical Study of Model Compounds, J. Phys. Chem. B, 107 6350 (2003); https://doi.org/10.1021/jp027482g.

J. P. Froning, P. Lazar, M. Pykal, et al., Direct Mapping of Chemical Oxidation of Individual Graphene Sheets through Dynamic Force Measurements at Nanoscale, Nanoscale, 9, 119 (2017); https://doi.org/10.1039/C6NR05799C.

C. Jang, S. Nouranian, T.E. Lacy et al., Molecular dynamics simulations of oxidized vapor-grown carbon nanofiber surface interactions with vinyl ester resin monomers, Carbon, 50(3), 748 (2012); https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.09.013.

J. L. Suter, R.C. Sinclair, P. V. Coveney, Principles Governing Control of Aggregation and Dispersion of Graphene and Graphene Oxide in Polymer Melts, Adv. Mater., 32(36), 2003213 (2020); https://doi.org/10.1002/adma.202003213.

Y. Liu, J. Zhou, E. Zhu, et al., A facile synthesis of bacterial cellulose fibers covalently intercalated graphene oxide by one-step cross-linking for robust supercapacitors, J. Mater. Chem. C, 3, 1011 (2015); https://doi.org/10.1039/C4TC01822B.

Yu. Sementsov, Yu. Grebel’na, V. Strelchuk et al., Carbon-Carbon Composition “Expanded Graphite–Multiwalled Carbon Nanotubes”, International Journal of Materials Science and Applications, 8(6) 127 (2019); https://doi.org/10.11648/j.ijmsa.20190806.16.

M. Kartel, Yu. Sementsov, G. Dovbeshko et al., Lamellar structures from graphene nanoparticles produced by anode oxidation, Advanced Materials Letters, 8(3), 212 (2017); https://doi.org/10.5185/amlett.2017.1428.

M. Kartel, Yu. Sementsov, S. Makhno et al., Electrochemical reactor and process conditions for the continuous oxidation of natural graphite with a capacity of 10 kg/hour, Intern. Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, 4(7), 203 (2017); https://ijiset.com/vol4/v4s7/IJISET_V4_I07_25.pdf

N.A. Havryliuk, E.N. Shevchuk, G.P. Prikhod’ko et al., Grapheneoxide: preparation, properties, applications (review), Chemistry, Physics and Technology of Surface, 6 (4), 413 (2015); https://doi.org/10.15407/hftp06.04.413. [in Ukrainian].

G. Barca, C. Bertoni, L.Carrington et al., Recent developments in the general atomic and molecular electronic structure system, J. Chem. Phys., 152, 154102-1 (2020); https://doi.org/10.1063/5.0005188.

A.D. BeckeDensity functional thermochemistry. III. The role of exact exchange, J. Chem. Phys., 98(7), 5648 (1993); https://doi.org/10.1063/1.464913.

C. Lee, W. Yang, R.G. Parr, Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density, Phys. Rev. B., 37(2), 785 (1988); https://doi.org/10.1103/physrevb.37.785.

S. Grimme, S. Ehrlich, L. Goerigk, Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory, J. Comput. Chem., 32(7), 1456 (2011); https://doi.org/10.1002/jcc.21759.

S. Grimme, Density functional theory with London dispersion corrections, WIREs Comput. Mol. Sci., 1(2), 211 (2011); https://doi.org/10.1002/wcms.30.

K.Voitko, A.Tóth, E.Demianenko, et al., Catalytic performance of carbon nanotubes in H2O2 decomposition: Experimental and quantum chemical study, J. Colloid Interf. Sci., 437, 283 (2015); https://doi.org/10.1016/j.jcis.2014.09.045.

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-06-04

Як цитувати

Гребельна, Ю., Дем’яненко, Є., Терець, М., Семенцов, Ю., Лобанов, В., Гребенюк, А., … Картель, М. (2023). Квантово-хімічні дослідження взаємодії частково окиснених графеноподібних площин між собою. Фізика і хімія твердого тіла, 24(2), 269–277. https://doi.org/10.15330/pcss.24.2.269-277

Номер

Розділ

Хімічні науки

Статті цього автора (авторів), які найбільше читають