Bài viết Nghiên cứu các đặc tính hấp phụ khí của đơn lớp Sc2CO2 bằng các tính toán DFT nghiên cứu các đặc tính hấp phụ khí N2, H2, O2, NO, NO2, CO, CO2 và SO2 trên đơn lớp Sc2CO2 dựa trên các tính toán từ lý thuyết phiếm hàm mật độ. Các đặc điểm cấu trúc của đơn lớp Sc2CO2 sau khi hấp phụ các khí khác nhau đã được làm sáng tỏ. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nghiên cứu đặc tính hấp phụ khí đơn lớp Sc2CO2 tính tốn DFT Pham Dinh Khang1,*, Hoang Van Ngoc2 Viện Kỹ thuật giới quân Viện Phát triển Ứng dụng, Đại học Thủ Dầu Một E-mail: dinhkhang307@gmail.com; ngochv@tdmu.edu.vn TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, chúng tơi nghiên cứu đặc tính hấp phụ khí N2, H2, O2, NO, NO2, CO, CO2 SO2 đơn lớp Sc2CO2 dựa tính tốn từ lý thuyết phiếm hàm mật độ Các đặc điểm cấu trúc đơn lớp Sc2CO2 sau hấp phụ khí khác làm sáng tỏ Các vị trí hấp phụ ưa thích cho khí tính tốn xác định Các phân tử CO2, CO, H2 N2 bị hấp phụ vật lý đơn lớp Sc2CO2 Các phân tử NO, SO2, NO2 O2 bị hấp phụ hóa học đơn lớp Sc2CO2 Việc hấp phụ hóa học phân tử O2, vốn thành phần khơng khí, làm thay đổi rõ rệt tính chất điện tử đơn lớp Sc2CO2 Điều làm hạn chế triển vọng ứng dụng đơn lớp Sc2CO2 cảm biến khí thu giữ khí độc khí SO2 NO Từ khóa: tính tốn DFT, hấp phụ khí, đơn lớp Sc2CO2, tính chất điện tử, cảm biến khí Gas adsorption on Sc2CO2 monolayer: A DFT study Pham Dinh Khang1,*, Hoang Van Ngoc2 Institute of Military Mechanical Engineering Institute of Applied Technology, Thu Dau Mot University ABSTRACTS In this study, we studied the adsorption properties of N2, H2, O2, NO, NO2, CO, CO2 and SO2 on the Sc2CO2 monolayer based on DFT calculations The structural features of the Sc2CO2 monolayer after adsorption of different gases have been elucidated The preferred adsorption sites for each gas are determined The CO2, CO, H2 and N2 molecules are physisorbed on the monolayer Sc2CO2 The NO, SO2, NO2 and O2 molecules are chemisorbed on the Sc2CO2 monolayer The chemical adsorption of O2 molecules, which is a fundamental component of air, 39 markedly changes the electronic properties of the Sc2CO2 monolayer This limits the prospects for application of the Sc2CO2 monolayer in gas sensing or capturing toxic gases such as SO2 and NO Keywords: DFT calculation, gas adsorption, Sc2CO2 monolayer, electronic properties, gas sensor Giới thiệu Nhờ cấu trúc, tính chất điện tử độc đáo diện tích bề mặt lớn, vật liệu 2D ứng cử viên đầy triển vọng cho nhiều ứng dụng điện tử, xúc tác lượng [1-7] Việc tổng hợp, nghiên cứu tính chất ứng dụng vật liệu 2D trở thành lĩnh vực thú vị khoa học công nghệ Các đơn lớp graphene, boron nitride, dichalcogenides kim loại chuyển tiếp phosphorene chế tạo thành cơng từ cấu trúc có phân lớp liên kết yếu (van der Waals) chúng [4, 6] MXenes phát lần vào năm 2011 [8], đến trở thành đối tượng nghiên cứu quan tâm nhiều nhóm nhà khoa học vật liệu giới Việc tổng hợp MXenes từ hợp chất ba chiều (3D) trở nên khả thi nhờ việc kết hợp phương pháp phân tách lớp dung dịch hóa học siêu âm [8, 9] MXenes có cấu trúc dạng Mn+1Xn, đó: “M” kim loại chuyển tiếp (Sc, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo), “X” carbon nitro n = 1, Khi tổng hợp MXenes từ Mn+1AXn (pha MAX) dung dịch axit HF, lớp “A” có liên kết yếu với lớp “M” “X” bị thay nhóm kết thúc bề mặt (-Tx) tạo thành lớp MXenes riêng biệt [8] Tùy thuộc vào môi trường axit, nhóm kết thúc bề mặt -O, -OH -F chúng có ảnh hưởng định đến tính chất vật liệu Một số kim loại chuyển tiếp khác (Mo, Cr) thêm vào thành phần hóa học MXenes tạo thành MXenes hai kim loại chuyển tiếp để điều chỉnh tính chất điện-lý-hóa loại vật liệu [8, 10-13] Nhờ vào tính đa đạng thành phần hóa học khả điều chỉnh trật tự bề mặt với tính chất đặc biệt diện tích bề mặt lớn, tính ưa nước, khả hấp phụ độ phản ứng bề mặt cao, MXenes đánh giá vật liệu sáng giá ứng dụng nhiều lĩnh vực lưu trữ lượng (pin Li-ion [14-17] siêu tụ điện [18, 19]), vật liệu composite [20, 21], quang xúc tác [3, 22, 23], thiết bị thu giữ khí cảm biến khí [24, 25] 40 Hấp phụ khí hướng nghiên cứu liên quan trực tiếp đến ứng dụng cảm biến khí, thu giữ khí lọc khí MXenes có tiềm ứng dụng cho cảm biến khí chế truyền điện tích trực tiếp [26] Các thí nghiệm Persson Ingemar công [1] cho thấy Ti3C2 MXenes chất rắn hấp phụ phù hợp để thu trữ CO2 MXenes dạng Ti3C2Tx hấp phụ CO2 áp suất thấp lên đến ≈12 mol/kg, tức vượt trội so với chất hấp phụ CO2 nay, đồng thời vật liệu đơn lớp rắn lại khơng có lực N2 [1] Hơn nữa, cảm biến từ đơn lớp Ti3C2 phát thành cơng khí ethanol, metanol, acetone ammonia nhiệt độ phòng [27] Điều đem đến hướng phát triển thiết bị điện tử nhỏ gọn nhận biết khí nhiệt độ phịng nhằm góp phần vào chuẩn đốn chăm sóc sức khỏe ứng dụng môi trường khác Nhờ vào hiệu suất hấp phụ cao, tính chọn lọc hấp phụ CO2 so với N2, với độ ổn định hóa học nhiệt học, MXene Ti3C2Tx trở thành vật liệu ứng dụng việc thu trữ chuyển đổi CO2 nhằm làm giảm lượng khí thải CO2 ngày tăng khí từ giảm bớt nóng lên tồn cầu gây việc đốt nhiên liệu hóa thạch [28] Trong số tất pha MXene, mặt lý thuyết, 2D Sc2C sở hữu diện tích bề mặt cao trọng lượng, với chế hấp thụ H2 bao gồm hấp thụ hóa học, hấp thụ vật lý tương tác loại Kubas đó, kỳ vọng có khả lưu trữ hydro cao [2931] Đơn lớp Sc2CO2 ứng cử viên tiềm cho cảm biến khí SO2 nhờ vào tính ưu tiên hấp phụ phân tử SO2, cường độ hấp phụ phù hợp, lượng điện tích chuyển dịch lớn hiệu ứng tăng cường độ dẫn điện tử đơn lớp hấp phụ SO2 [32] Bên cạnh đó, đơn lớp Sc2CO2 vật liệu thu giữ khí tiềm nhờ chế kiểm sốt hấp thụ/giải phóng khí điện trường biến dạng [32] Các kết tính tốn Yang công [33] cho thấy Sc2CO2 nhạy cảm với phân tử NO tương tác hóa học chuyển điện tích lớn 0,303 e chúng, tạo thay đổi độ dẫn điện tử từ phân tử NO phát cảm biến dựa đơn lớp Sc2CO2 Khi áp dụng biến dạng ngồi, đặc tính hấp phụ khí NO tăng cường cho thấy khả ứng dụng Sc2CO2 vật liệu thu giữ khí độc NO [33] Trong hai nghiên cứu Ma công [32] Yang công [33], kết thú vị hấp phụ khí đơn lớp Sc2CO2 ảnh hưởng biến dạng ngồi trình bày, từ khả ứng dụng cảm biến khí đánh giá Tuy nhiên tính chọn lọc hấp phụ SO2 so với phân tử khí khác, đặc biệt thành phần khơng khí chưa xem xét nghiên cứu 41 Qua nghiên cứu tổng quan, nhận thấy đặc tính hấp phụ MXenes Sc2CO2 nghiên cứu số loại khí riêng biệt Thêm vào đó, tính chọn lọc hấp phụ khí vài khí tiêu chí quan trọng vật liệu cảm biến khí Do đó, nghiên cứu chúng tơi nghiên cứu cách hệ thống đặc tính hấp phụ thành phần khơng khí (H2, N2, CO2, O2) khí độc hại (SO2, CO, NO, NO2) đơn lớp Sc2CO2 Các vị trí hấp phụ ưa thích khác khí xác định Để đánh giá chế hấp phụ, đại lượng đặc điểm cấu trúc, khoảng cách hấp phụ, lượng hấp thụ, điện tích hiệu dụng, lượng điện tích chuyển dịch phân tử khí đơn lớp Sc2CO2 tính tốn Tính chọn lọc hấp phụ khí đơn lớp Sc2CO2 nghiên cứu từ chúng tơi tiếp tục xem xét khả ứng dụng Mxenes Sc2CO2 cho cảm biến khí Nghiên cứu lý thuyết chúng tơi sử dụng tính tốn từ ngun lý đầu tiên, which trở thành cơng cụ hữu ích đáng tin cậy để nghiên cứu vật liệu tiên tiến năm gần [34, 35] Các phương pháp tính tốn thơng số tính tốn lựa chọn cẩn thận sở tham khảo khuyến nghị đáng tin cậy công bố kiểm tra độ hội tụ chúng tơi Các kết tính toán thu được so sánh với kết nghiên cứu công bố 2D Sc2CO2 vật liệu Mxenes khác Phương pháp tính tốn Trong nghiên cứu này, chúng tơi sử dụng gói phần mềm Quantum Espresso [36] để thực tất tính tốn tối ưu cấu trúc tính chất điện tử cấu hình hấp phụ Để tính đến tương tác Van der Waals (vdW), chúng tơi sử dụng phương pháp DFT-D2 Grimme [37] Các tính toán tối ưu cấu trúc thực theo nguyên lý tối thiểu lượng hệ tổng lực tác dụng lên nguyên tử cấu trúc Theo đó, từ vị trí ban đầu phân tử khí dịch chuyển vị trí ổn định nhất, tương ứng với vị trí mà tổng lực tác dụng lên nguyên tử nhỏ 0.01 eV/Å độ chênh lệch tổng lượng hai vòng lặp hội tụ liên tiếp nhỏ 10-6 Ry Lưới điểm K cho tất tính tốn tối ưu cấu trúc tính tốn mật độ trạng thái đặt tương ứng 6x6x1 8x8x1 theo sơ đồ Monkhorst-Pack Động cắt cho hàm sóng cho mật độ điện tích đặt 30 Ry and 300 Ry 42 Hình Hình chiếu đứng (a) hình chiếu ngang (b) ô đơn vị x x Sc2CO2 Các vị trí ban đầu hấp phụ hấp phụ khí xảy bề mặt đơn lớp Sc2CO2: phía nguyên tử O lớp (vị trí B), phía nguyên tử Sc lớp lớp (vị trí A C, tương ứng) Mơ hình x x Sc2CO2 chứa lớp chân không dày 15 Å bao gồm 48 ngun tử xây dựng (Hình 1) Thơng số mạng đơn lớp Sc2CO2 thu từ tính tốn tối ưu 3.44 Å, giá trị phù hợp với giá trị tính tốn in tài liệu [38] (3.44 Å) Chúng nghiên cứu tương tác phân tử khí với đơn lớp Sc2CO2 từ vị trí hấp phụ ban đầu (được kí hiệu A, B, C Hình 1, a) chúng khoảng cách Å so với lớp nguyên tử đơn lớp Sc2CO2 Để mô tả mức độ ổn định cấu hình hấp phụ, lượng hấp phụ phân tử khí đơn lớp Sc2CO2 xác định theo công thức [39]: Eads = ESc2CO2 + Egas − Egas + Sc2CO2 ESc CO Egas + Sc CO tổng lượng mạng Sc2CO2 trước sau hấp phụ phân tử 2 2 khí, Egas tổng lượng phân tử khí tự mạng có kích thước Sự thay đổi mật độ điện tích hấp phụ khí tính theo cơng thức: Δρ = ρ[gas+Sc2CO2] − ρ [Sc2CO2] − ρ [gas], 43 ρ[gas+Sc2CO2] mật độ điện tích cấu hình hấp phụ khí/Sc2CO2, ρ[Sc2CO2] ρ[gas] are mật độ điện tích đơn lớp Sc2CO2 and phân tử khí tách rời Cấu trúc vùng lượng mật độ trạng thái hấp phụ khí vị trí ưa thích tính tốn phân tích Bên cạnh đó, chế tương tác phân tử khí đơn lớp liên quan chặt chẽ đến trao đổi điện tích chúng, có mối quan hệ cho – nhận điện tử dùng chung điện tử Do đó, nghiên cứu chúng tơi tính tốn lượng điện tử chuyển dịch từ phân tử khí sang đơn lớp (Qtran) lượng điện tích dùng chung chúng, which thay đổi tổng điện tích nguyên tử phân tử khí sau bị hấp phụ Tổng điện tích nguyên tử xác định theo phân tích mật độ điện tích Lưwdin [40] Tính chọn lọc khí nghiên cứu đơn lớp Sc2CO2 đánh giá cách tổng quát thông qua đặc điểm cấu trúc, lượng hấp phụ lượng điện tích dịch chuyển từ đơn lớp sang phân tử khí Kết thảo luận 3.1 Hấp phụ vật lý phân tử khí CO2, CO, N2 H2 đơn lớp Sc2CO2 Các tính tốn optimization cho thấy phân tử CO2 tương tác với đơn lớp (tại vị trí ban đầu A, B C), phân tử CO2 nằm ngang khoảng cách xa với đơn lớp (3.14, 3.84 3.49 Å, tương ứng) Trong ba vị trí hấp phụ, phân tử CO2 đóng vai trị donor với lượng điện tích chuyển dịch tương đối nhỏ (0.015 ÷ 0.030 e) Vị trí ưa thích hấp phụ phân tử CO2 vị trí A (Hình 2, a), tương ứng với lượng hấp phụ lớn 0.034 eV Độ dài liên kết phân tử khí thay đổi khơng đáng kể (Bảng 1) Phân tích PDOS nguyên tử Sc, C, O đơn lớp vị trí hấp phụ khí nguyên tử C, O phân tử CO2 (Hình 2, a) cho thấy khơng có lai hóa orbital nguyên tử CO2 với nguyên tử đơn lớp Sc2CO2 Điều cho thấy tương tác phân tử CO2 đơn lớp Sc2CO2 gây nên lực Van der Waals yếu Năng lượng hấp phụ phân tử CO vị trí C 0.036 eV lớn cho thấy vị trí hấp phụ ưu thích Tại vị trí hấp phụ này, phân tử CO nằm nghiêng so với đơn lớp Sc2CO2 góc 34˚ khoảng cách 3.503 Å Lượng điện tích chuyển dịch phân tử CO đơn lớp 0.099 e, which lớn đáng kể so với trường hợp hấp phụ CO2 Có thể quan sát thấy lai hóa mật độ trạng thái riêng O-2p C-2p phân tử khí mức lượng 1.2 eV (Hình 2, b), which kéo theo xuất hai dải band band gap ban đầu đơn 44 lớp Sc2CO2 Không tồn lai hóa mật độ trạng thái riêng nguyên tử phân tử khí với nguyên tử đơn lớp Sự thay đổi mật độ điện tích phân tử khí CO đơn lớp thấy rõ CDD thể giá trị ±0.001 e/Å3 (Hình 3, b) Phân tử H2 phân tử N2 hấp phụ nằm vuông góc với đơn lớp Sc2CO2 khoảng cách 2.728 Å 2.611 Å, tương ứng Vị trí hấp phụ ưa thích phân tử H2 vị trí A với lượng hấp phụ 0.017 eV, khí vị trí hấp phụ ưu thích phân tử N2 vị trí B với lượng hấp phụ 0.032 eV Sự trao đổi điện tích phân tử H2 đơn lớp không đáng kể (0.001 e) Chính vậy, thay đổi mật độ điện tích phân tử khí H2 đơn lớp thấy rõ CDD thể giá trị ±0.0004 e/Å3 (Hình 3, c) Ngược lại, lượng điện tích trao đổi phân tử N2 đơn lớp lớn (0.163 e) Từ giá trị lượng hấp phụ lượng điện tích chuyển dịch từ phân tử khí sang đơn lớp bảng cho thể thấy phân tử N2 hấp phụ vật lý chọn lọc so với phân tử CO2, CO H2 Bảng Các đặc tính hấp phụ khí CO2, CO, N2 H2 đơn lớp Sc2CO2: lượng hấp phụ Eads, khoảng cách hấp phụ dad, lượng điện tử chuyển dịch từ phân tử khí sang đơn lớp Sc2CO2 Qtran , độ dài liên kết phân tử khí trước (l0) sau hấp phụ (l) Cấu hình hấp phụ CO2- Sc2CO2 - A site CO2- Sc2CO2 - B site CO2- Sc2CO2 - C site dad Eads (eV) (Å) Qtran (e) -0.034 3.143 0.028 -0.013 -0.030 3.840 3.485 l0 l (Å) (Å) 1.172 1.172 1.172 1.172 1.172 1.172 1.172 1.172 1.172 1.172 1.172 1.172 0.015 0.030 CO- Sc2CO2 - A site -0.031 3.168 0.071 1.142 1.142 CO- Sc2CO2 - B site -0.015 3.619 0.048 1.142 1.142 CO- Sc2CO2 - C site -0.036 3.503 0.099 1.142 1.142 H2- Sc2CO2 - A site -0.017 2.728 0.001 0.761 0.762 H2- Sc2CO2 - B site -0.008 3.650 0.001 0.761 0.762 H2- Sc2CO2 - C site -0.013 3.325 0.004 0.761 0.763 N2- Sc2CO2 - A site -0.007 3.688 0.021 1.109 1.109 45 N2- Sc2CO2 - B site -0.032 2.611 0.163 1.109 1.110 N2- Sc2CO2 - C site -0.012 2.881 0.032 1.109 1.109 46 Hình Các cấu hình hấp phụ ổn định khí CO2 (a), CO (b), H2 (c), N2 (d) đơn lớp Sc2CO2 Cấu trúc vùng lượng mật độ trạng thái chúng thể hình bên phải Hình Sự thay đổi mật độ điện tích (CDD) đơn lớp Sc2CO2 sau hấp phụ phân tử khí CO2 (a), CO (b), H2 (c), N2 (d) Giá trị hiển thị CDD đặt ±0.001 e/Å3 trường hợp hấp phụ N2 CO, ±0.0004 e/Å3 trường hợp hấp phụ H2 CO2 Sự gia tăng suy giảm mật độ điện tử tương ứng thể đường màu vàng màu xanh 3.2 Hấp phụ hóa học phân tử khí NO, SO2, NO2 O2 đơn lớp Sc2CO2 Bảng Các đặc tính hấp phụ khí NO SO2 đơn lớp Sc2CO2: lượng hấp phụ (Eads), khoảng cách hấp phụ (dad), lượng điện tích chuyển dịch từ phân tử khí sang đơn lớp Sc2CO2 ( Qtran ), độ dài liên kết phân tử khí trước (l0) sau hấp phụ (l) Giá trị lượng hấp phụ in đậm lớn loại khí, tương ứng với vị trí hấp phụ ưa thích chúng đơn lớp Sc2CO2 Configuration dad Qtran l0 l (Å) (|e|) (Å) (Å) 1.159 1.181 Eads (eV) -0.340 0.019 NO- Sc2CO2 - A site -0.470 [33] 2.184 NO- Sc2CO2 - B site -0.072 3.421 0.047 1.159 1.164 NO- Sc2CO2 - C site -0.340 2.184 0.019 1.159 1.181 -0.398 2.355 1.453 1.507 -0.646 2.310 [32] 1.453 1.507 SO2- Sc2CO2 - A site -0.077 47 [32] SO2- Sc2CO2 - B site SO2- Sc2CO2 - C site NO2- Sc2CO2 - A site NO2- Sc2CO2 - B site NO2- Sc2CO2 - C site -0.118 -0.133 -2.984 -2.846 -2.709 3.473 3.361 2.268 2.311 2.243 1.453 1.465 1.453 1.465 1.453 1.464 1.453 1.464 1.210 1.287 1.210 1.264 1.210 1.341 1.210 1.212 1.210 1.293 1.210 1.233 0.009 -0.064 -0.314 -0.283 -0.329 O2- Sc2CO2 - A site -0.320 2.815 -0.203 1.229 1.258 O2- Sc2CO2 - B site -1.973 2.230 -0.504 1.229 1.441 O2- Sc2CO2 - C site -0.391 2.851 -0.217 1.229 1.270 Các tính tốn optimization cho thấy cường độ hấp phụ khí NO, SO2, NO2 O2 lớn hẳn so với khí H2, N2, CO2 CO Điều thể lượng hấp phụ lớn hơn, khoảng cách hấp phụ nhỏ hơn, độ dài liên kết phân tử khí tăng lên lượng điện tích trao đổi đơn lớp phân tử khí lớn (Bảng 2) Vị trí ưa thích phân tử NO đơn lớp Sc2CO2 vị trí A, tương ứng với lượng hấp phụ lớn (0.34 eV) so với giá trị vị trí khác (Bảng 2) Kết tính tốn lượng hấp phụ phân tử NO phù hợp với kết tính tốn Yang công [33] (0.47 eV) Tại vị trí này, phân tử NO nằm vng góc với đơn lớp, khoảng cách hấp phụ chúng 2.184 Å Độ dài liên kết phân tử khí NO tăng lên 1.9% sau bị hấp phụ đơn lớp Phân tử NO đóng vai trị donor với lượng điện tử chuyển sang đơn lớp 0.019 e Hình 4, a cho thấy có lai hóa orbital nguyên tử N-2p, O-2p phân tử khí với orbital nguyên tử C-2p O-2p đơn lớp mức lượng eV Năng lượng hấp phụ lớn (0.34 eV), khoảng cách hấp phụ nhỏ lai hóa mật độ trạng thái riêng nguyên tử cho thấy phân tử NO bị hấp phụ hóa học đơn lớp Sc2CO2 48 Năng lượng hấp phụ phân tử SO2 vị trí A 0.398 eV, which phù hợp với kết tính tốn công bố [32] (0.646 eV) Năng lượng hấp phụ vị trí A lớn hẳn so với vị trí B C cho thấy vị trí A vị trí hấp phụ ưa thích phân tử SO2 đơn lớp Sc2CO2 Tại vị trí này, phân tử SO2 tạo hai liên kết yếu với đơn lớp có đội dài d(O-Sc) = 2.355 Å (hình 4, b), liên kết phân tử SO2 tăng lên 3.7% sau hấp phụ Đơn lớp cho điện tử sang phân tử SO2 với lượng điện tích 0.077 e Năng lượng hấp phụ phân tử NO2 vị trí A, B C gần xấp xỉ nhau, phân tử NO2 hấp phụ đồng thời ba vị trí mà khơng có ưu tiên vị trí (bảng 2) Từ vị trí A, phân tử NO2 bị hấp phụ bề mặt tạo hai liên kết d(O-Sc) 2.332 Å 2.268 Å (hình 4,c) Lượng điện tích chuyển dịch từ đơn lớp sang phân tử NO2 tính tốn -0.314 e Độ dài liên kết phân tử khí d(N-O) tăng lên đến 6.4% Năng lượng hấp phụ phân tử O2 vị trí B 1.973 eV lớn cho thấy vị trí hấp phụ ưu thích Tại vị trí hấp phụ này, phân tử O2 nằm nghiêng so với đơn lớp Sc2CO2 góc 29˚ tạo liên kết với nguyên tử Sc đơn lớp có độ dài 2.230 Å, 2.322 Å 2.245 Å Liên kết phân tử O2 tăng lên 0.012 Å Lượng điện tích chuyển dịch phân tử CO đơn lớp -0.504 e Chúng tơi quan sát thấy lai hóa mật độ trạng thái riêng Sc-4s đơn lớp O-2p phân tử khí mức lượng 0.1 eV -1.2 eV (Hình 4, d) So sánh liệu bảng bảng 1, thấy lượng hấp phụ lượng điện tử đơn lớp cho sang phân tử khí NO2 O2 lớn hẳn so với phân tử lại Xét theo lượng hấp phụ lượng điện tích trao đổi [41-43], chúng tơi kết luận số tính chọn lọc hấp phụ phân tử khí đơn lớp Sc2CO2 thuộc NO2 O2 Khi khí bị hấp phụ, độ dài liên kết phân tử khí tăng lên (bảng 2) Điều xảy bị hấp phụ lên đơn lớp, nguyên tử phân tử khí chia sẻ lượng điện tử hóa trị định để tham gia liên kết với đơn lớp Sc2CO2 nên liên kết phân tử khí bị suy yếu Hình thể thay đổi mật độ điện tích (CDD) đơn lớp Sc2CO2 adsorbed gas molecules NO, SO2, NO2 O2 the isovalue ±0.03 e/Å3 Trong số này, NO đóng vai trị donor, phân tử khí lại nhận điện tử từ đơn lớp Sc2CO2 Lượng điện tích trao đổi phân tử khí O2 đơn lớp -0.504 e lớn so với phân tử khí khác, kéo theo thay đổi nhiều độ dẫn điện tử Việc hấp phụ hóa học O2, vốn thành phần khơng khí, làm thay đổi tính chất điện tử đơn lớp Sc2CO2 Điều này, theo 49 nhận định làm hạn chế triển vọng ứng dụng đơn lớp Sc2CO2 cảm biến khí thu giữ loại khí độc chẳng hạn khí SO2 NO 50 Hình Các cấu hình hấp phụ ổn định khí NO (a), SO2 (b), NO2 (c), O2 (d) đơn lớp Sc2CO2 Cấu trúc vùng lượng mật độ trạng thái chúng thể hình bên phải 51 Hình Sự thay đổi mật độ điện tích (CDD) đơn lớp Sc2CO2 sau hấp phụ phân tử khí (a) NO, (b) SO2, (c,) NO2, (d) O2 Giá trị hiển thị CDD đặt ±0.03 e/Å3 Sự gia tăng suy giảm mật độ điện tử tương ứng thể đường màu vàng màu xanh Kết luận Chúng nghiên cứu cách hệ thống đặc tính hấp phụ khí (NO, NO2, CO, SO2, N2, H2, O2, CO2) đơn lớp Sc2CO2 dựa tính tốn từ lý thuyết phiếm hàm mật độ Cấu hình hình học, lượng hấp phụ, tính chất điện tử hệ sau hấp phụ khí vị trí khác tính tốn xác định Các phân tử CO2, CO, N2 H2 bị hấp phụ vật lý vào monolayer Sc2CO2 Các phân tử O2, NO, SO2 NO2 bị hấp phụ hóa học đơn lớp Sc2CO2 Các kết tính tốn lượng hấp phụ lượng điện tích chuyển dịch đơn lớp phân tử khí cho thấy tính chọn lọc hấp phụ khí nghiên cứu thuộc NO2 O2 Do phân tử O2 bị hấp phụ hóa học đơn lớp Sc2CO2, nên tính chất điện tử đơn lớp Sc2CO2 bị thay đổi khó kiểm sốt khơng khí Theo nhận định chúng tôi, điều làm hạn chế triển vọng ứng dụng đơn lớp Sc2CO2 cảm biến khí thu giữ khí độc khí SO2 NO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] I Persson, J Halim, H Lind, T.W Hansen, J.B Wagner, L.Å Näslund, V Darakchieva, J Palisaitis, J Rosen, P.O Persson, 2D Transition Metal Carbides (MXenes) for Carbon Capture, Advanced Materials, 31 (2019) 1805472 [2] K Hantanasirisakul, Y Gogotsi, Electronic and optical properties of 2D transition metal carbides and nitrides (MXenes), Advanced Materials, 30 (2018) 1804779 [3] J Zhu, E Ha, G Zhao, Y Zhou, D Huang, G Yue, L Hu, N Sun, Y Wang, L.Y.S Lee, 52 Recent advance in MXenes: A promising 2D material for catalysis, sensor and chemical adsorption, Coordination Chemistry Reviews, 352 (2017) 306-327 [4] K Novoselov, A Mishchenko, A Carvalho, A.C Neto, 2D materials and van der Waals heterostructures, Science, 353 (2016) aac9439 [5] J.R Schaibley, H Yu, G Clark, P Rivera, J.S Ross, K.L Seyler, W Yao, X Xu, Valleytronics in 2D materials, Nature Reviews Materials, (2016) 16055 [6] A Gupta, T Sakthivel, S Seal, Recent development in 2D materials beyond graphene, Progress in Materials Science, 73 (2015) 44-126 [7] Y Gogotsi, Chemical vapour deposition: transition metal carbides go 2D, Nature materials, 14 (2015) [8] M Naguib, M Kurtoglu, V Presser, J Lu, J Niu, M Heon, L Hultman, Y Gogotsi, M.W Barsoum, Two‐dimensional nanocrystals produced by exfoliation of Ti3AlC2, Advanced Materials, 23 (2011) 4248-4253 [9] M Naguib, O Mashtalir, J Carle, V Presser, J Lu, L Hultman, Y Gogotsi, M.W Barsoum, Two-dimensional transition metal carbides, ACS nano, (2012) 1322-1331 [10] M Naguib, V.N Mochalin, M.W Barsoum, Y Gogotsi, 25th anniversary article: MXenes: a new family of two‐dimensional materials, Advanced Materials, 26 (2014) 992-1005 [11] M Khazaei, A Ranjbar, M Arai, S Yunoki, Topological insulators in the ordered double transition metals M 2′ M ″C MXenes (M′= Mo, W; M ″= Ti, Zr, Hf), Physical Review B, 94 (2016) 125152 [12] B Anasori, Y Xie, M Beidaghi, J Lu, B.C Hosler, L Hultman, P.R Kent, Y Gogotsi, M.W Barsoum, Two-dimensional, ordered, double transition metals carbides (MXenes), ACS nano, (2015) 9507-9516 [13] B Anasori, C Shi, E.J Moon, Y Xie, C.A Voigt, P.R Kent, S.J May, S.J Billinge, M.W Barsoum, Y Gogotsi, Control of electronic properties of 2D carbides (MXenes) by manipulating their transition metal layers, Nanoscale Horizons, (2016) 227-234 [14] M Naguib, J Halim, J Lu, K.M Cook, L Hultman, Y Gogotsi, M.W Barsoum, New twodimensional niobium and vanadium carbides as promising materials for Li-ion batteries, Journal of the American Chemical Society, 135 (2013) 15966-15969 [15] Y Xie, M Naguib, V.N Mochalin, M.W Barsoum, Y Gogotsi, X Yu, K.-W Nam, X.-Q Yang, A.I Kolesnikov, P.R Kent, Role of surface structure on Li-ion energy storage capacity of two-dimensional transition-metal carbides, Journal of the American Chemical Society, 136 (2014) 6385-6394 [16] O Mashtalir, M Naguib, V.N Mochalin, Y Dall’Agnese, M Heon, M.W Barsoum, Y Gogotsi, Intercalation and delamination of layered carbides and carbonitrides, Nature communications, (2013) 1716 [17] J Pang, R.G Mendes, A Bachmatiuk, L Zhao, H.Q Ta, T Gemming, H Liu, Z Liu, M.H Rummeli, Applications of 2D MXenes in energy conversion and storage systems, Chemical Society Reviews, 48 (2019) 72-133 [18] M.R Lukatskaya, O Mashtalir, C.E Ren, Y Dall’Agnese, P Rozier, P.L Taberna, M Naguib, P Simon, M.W Barsoum, Y Gogotsi, Cation intercalation and high volumetric capacitance of two-dimensional titanium carbide, Science, 341 (2013) 1502-1505 [19] B.-M Jun, S Kim, J Heo, C.M Park, N Her, M Jang, Y Huang, J Han, Y Yoon, Review of MXenes as new nanomaterials for energy storage/delivery and selected environmental applications, Nano Research, DOI (2018) 1-17 [20] Z Ling, C.E Ren, M.-Q Zhao, J Yang, J.M Giammarco, J Qiu, M.W Barsoum, Y 53 Gogotsi, Flexible and conductive MXene films and nanocomposites with high capacitance, Proceedings of the National Academy of Sciences, 111 (2014) 16676-16681 [21] M.Q Zhao, C.E Ren, Z Ling, M.R Lukatskaya, C Zhang, K.L Van Aken, M.W Barsoum, Y Gogotsi, Flexible MXene/carbon nanotube composite paper with high volumetric capacitance, Advanced Materials, 27 (2015) 339-345 [22] O Mashtalir, K.M Cook, V Mochalin, M Crowe, M.W Barsoum, Y Gogotsi, Dye adsorption and decomposition on two-dimensional titanium carbide in aqueous media, Journal of Materials Chemistry A, (2014) 14334-14338 [23] H Wang, Y Wu, X Yuan, G Zeng, J Zhou, X Wang, J.W Chew, Clay‐Inspired MXene‐ Based Electrochemical Devices and Photo‐Electrocatalyst: State‐of‐the‐Art Progresses and Challenges, Advanced Materials, 30 (2018) 1704561 [24] M Khazaei, A Mishra, N.S Venkataramanan, A.K Singh, S Yunoki, Recent advances in MXenes: from fundamentals to applications, Current Opinion in Solid State and Materials Science, DOI (2019) [25] J Chen, K Chen, D Tong, Y Huang, J Zhang, J Xue, Q Huang, T Chen, CO and temperature dual responsive “Smart” MXene phases, Chemical Communications, 51 (2015) 314317 [26] M Khazaei, A Ranjbar, M Ghorbani-Asl, M Arai, T Sasaki, Y Liang, S Yunoki, Nearly free electron states in MXenes, Physical Review B, 93 (2016) 205125 [27] E Lee, A VahidMohammadi, B.C Prorok, Y.S Yoon, M Beidaghi, D.-J Kim, Room temperature gas sensing of two-dimensional titanium carbide (MXene), ACS applied materials & interfaces, (2017) 37184-37190 [28] A Taheri Najafabadi, CO2 chemical conversion to useful products: an engineering insight to the latest advances toward sustainability, International Journal of Energy Research, 37 (2013) 485-499 [29] Q Hu, H Wang, Q Wu, X Ye, A Zhou, D Sun, L Wang, B Liu, J He, Two-dimensional Sc2C: A reversible and high-capacity hydrogen storage material predicted by first-principles calculations, International Journal of Hydrogen Energy, 39 (2014) 10606-10612 [30] N Pei-Sian, J.-C Sin, Q Jian-Ai, S.-M Lam, Two-Dimensional MXene as a Promising Material for Hydrogen Storage, 2019 [31] Q Hu, D Sun, Q Wu, H Wang, L Wang, B Liu, A Zhou, J He, MXene: A New Family of Promising Hydrogen Storage Medium, The Journal of Physical Chemistry A, 117 (2013) 14253-14260 [32] S Ma, D Yuan, Z Jiao, T Wang, X Dai, Monolayer Sc2CO2: A Promising Candidate as a SO2 Gas Sensor or Capturer, The Journal of Physical Chemistry C, 121 (2017) 24077-24084 [33] D Yang, X Fan, D Zhao, Y An, Y Hu, Z Luo, Sc2CO2 and Mn-doped Sc2CO2 as gas sensor materials to NO and CO: A first-principles study, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 111 (2019) 84-90 [34] K.D Pham, N.N Hieu, H.V Phuc, I Fedorov, C Duque, B Amin, C.V Nguyen, Layered graphene/GaS van der Waals heterostructure: Controlling the electronic properties and Schottky barrier by vertical strain, Applied Physics Letters, 113 (2018) 171605 [35] K.D Pham, N.N Hieu, H.V Phuc, B.D Hoi, V.V Ilysov, B Amin, C.V Nguyen, First principles study of the electronic properties and Schottky barrier in vertically stacked graphene on the Janus MoSeS under electric field, Computational Materials Science, 153 (2018) 438-444 [36] P Giannozzi, S Baroni, N Bonini, M Calandra, R Car, C Cavazzoni, D Ceresoli, G.L Chiarotti, M Cococcioni, I Dabo, QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source 54 software project for quantum simulations of materials, Journal of Physics: Condensed Matter, 21 (2009) 395502 [37] S Grimme, Semiempirical GGA-type density functional constructed with a long-range dispersion correction, Journal of Computational Chemistry, 27 (2006) 1787-1799 [38] Y Lee, S.B Cho, Y.-C Chung, Tunable Indirect to Direct Band Gap Transition of Monolayer Sc2CO2 by the Strain Effect, ACS Applied Materials & Interfaces, (2014) 1472414728 [39] V.V Ilyasov, K.D Pham, O.M Holodova, I.V Ershov, Adsorption of atomic oxygen, electron structure and elastic moduli of TiC(0 1) surface during its laser reconstruction: Ab initio study, Applied Surface Science, 351 (2015) 433-444 [40] P.-O Löwdin, On the Nonorthogonality Problem*, in: L Per-Olov (Ed.) Advances in Quantum Chemistry, Academic Press1970, pp 185-199 [41] D Ma, W Ju, T Li, X Zhang, C He, B Ma, Z Lu, Z Yang, The adsorption of CO and NO on the MoS2 monolayer doped with Au, Pt, Pd, or Ni: A first-principles study, Applied Surface Science, 383 (2016) 98-105 [42] H Li, M Huang, G Cao, Markedly different adsorption behaviors of gas molecules on defective monolayer MoS 2: a first-principles study, Physical Chemistry Chemical Physics, 18 (2016) 15110-15117 [43] H.T Nguyen, D.-Q Hoang, T.P Dao, C.V Nguyen, H.V Phuc, N.N Hieu, D Hoat, H.L Luong, H.D Tong, K.D Pham, The characteristics of defective ZrS2 monolayers adsorbed various gases on S-vacancies: A first-principles study, Superlattices and Microstructures, 140 (2020) 106454 55 ... màu vàng màu xanh 3.2 Hấp phụ hóa học phân tử khí NO, SO2, NO2 O2 đơn lớp Sc2CO2 Bảng Các đặc tính hấp phụ khí NO SO2 đơn lớp Sc2CO2: lượng hấp phụ (Eads), khoảng cách hấp phụ (dad), lượng điện... biến khí Do đó, nghiên cứu nghiên cứu cách hệ thống đặc tính hấp phụ thành phần khơng khí (H2, N2, CO2, O2) khí độc hại (SO2, CO, NO, NO2) đơn lớp Sc2CO2 Các vị trí hấp phụ ưa thích khác khí xác... tử khí sang đơn lớp bảng cho thể thấy phân tử N2 hấp phụ vật lý chọn lọc so với phân tử CO2, CO H2 Bảng Các đặc tính hấp phụ khí CO2, CO, N2 H2 đơn lớp Sc2CO2: lượng hấp phụ Eads, khoảng cách hấp