Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ Một Số Hợp Chất Hữu Cơ Dễ Bay Hơi Trên Bề Mặt Vật Liệu Mox2 (X=S, Se) Bằng Phương Pháp Hóa Học Tính Toán.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN CAO THỊ HƯƠNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ DỄ BAY HƠI TRÊN BỀ MẶT VẬT LIỆU MoX2 (X = S, Se) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC TÍNH TOÁN ĐỀ ÁN THẠC SĨ HÓA HỌC Bình Định – Năm 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN CAO THỊ HƯƠNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ DỄ BAY HƠI TRÊN BỀ MẶT VẬT LIỆU MoX2 (X = S, Se) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC TÍNH TOÁN Ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí Mã số: 8440119 Người hướng dẫn: TS NGUYỄN NGỌC TRÍ Bình Định – Năm 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Ngọc Trí Các số liệu và kết quả sử dụng trong bản đề án là trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình khoa học khác Việc tham khảo các nguồn tài liệu được trích dẫn và ghi nguồn theo đúng quy định Tác giả Cao Thị Hương LỜI CẢM ƠN Luận văn này được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Hóa học tính toán và mô phỏng (LCCM) - Trường Đại học Quy Nhơn Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn đến TS Nguyễn Ngọc Trí, người đã hướng dẫn, giảng dạy, động viên em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề án này Em cũng xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Tiến Trung, PGS.TS Vũ Thị Ngân đã giảng dạy và cho em nhiều ý kiến bổ ích trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thiện đề án Ngoài ra, em muốn gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô giáo trong Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn đã trang bị cho em những kiến thức khoa học ý nghĩa để em có thể hoàn thành tốt đề án Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị em Phòng thí nghiệm Hóa học tính toán và mô phỏng luôn nhiệt tình giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề án Tôi xin dành lời cảm ơn sâu nặng đến cha mẹ hai bên nội ngoại, chồng của tôi, luôn là hậu phương vững chắc, chăm sóc và động viên tôi trong suốt quá trình hoàn thành đề án Bình Định, ngày 25 tháng 10 năm 2023 Tác giả Cao Thị Hương MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài 2 3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 4 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 5 Phương pháp nghiên cứu 5 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5 NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÓA HỌC LƯỢNG TỬ 6 1.1 Phương trình Schrödinger 6 1.2 Sự gần đúng Born-Oppenheimer 8 1.3 Hàm sóng của hệ nhiều electron 8 1.4 Bộ hàm cơ sở 10 1.4.1 Orbital kiểu Slater và Gaussian 10 1.4.2 Một số khái niệm về bộ hàm cơ sở 11 1.4.3 Phân loại bộ hàm cơ sở 12 1.5 Sóng phẳng và giả thế trong nghiên cứu hệ vật liệu tuần hoàn 13 1.5.1 Sóng phẳng 13 1.5.2 Giả thế 14 1.6 Các phương pháp gần đúng hoá học lượng tử 15 1.6.1 Phương pháp Hartree–Fock và phương trình Roothaan 15 1.6.2 Phương pháp nhiễu loạn Møller-Plesset (MPn) 18 1.6.3 Phương pháp tương tác cấu hình 20 1.6.4 Phương pháp chùm tương tác (CC) 21 1.6.5 Thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) 23 1.7 Thuyết nguyên tử trong phân tử (AIM) 24 1.8 Cách tiếp cận orbital liên kết thích hợp (NBO) 26 1.8.1 Orbital phân tử khu trú (LMO) 26 1.8.2 Orbital thích hợp (NO), orbital nguyên tử thích hợp (NAO) và orbital liên kết thích hợp (NBO) 26 1.8.3 Năng lượng bền hóa bậc 2 28 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ HẤP PHỤ, TƯƠNG TÁC YẾU VÀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU 29 2.1 Lý thuyết hấp phụ 29 2.1.1 Một số khái niệm 29 2.1.2 Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học 30 2.2 Các tương tác yếu 31 2.2.1 Liên kết hydrogen 32 2.2.2 Tương tác van der Waals 33 2.2.3 Tương tác chalcogen 34 2.2.4 Tương tác tĩnh điện 34 2.3 Hệ chất nghiên cứu 35 2.3.1 Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) 35 2.3.2 Vật liệu MoX2 37 2.3.3 Phương pháp tính cho hệ nghiên cứu 39 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41 3.1 Cấu trúc tối ưu và một số đặc trưng phân tử và bề mặt vật liệu 41 3.1.1 Cấu trúc hình học 41 3.1.2 Phân bố điện tích NBO và MEP của các phân tử hữu cơ 43 3.2 Sự hấp phụ các phân tử hữu cơ trên bề mặt MoX2 (X=S, Se) tinh khiết 46 3.2.1 Cấu hình hấp phụ bền 46 3.2.2 Các giá trị năng lượng của quá trình hấp phụ 49 3.2.3 Phân tích AIM và NBO 51 3.2.4 Nhận xét chung 61 3.3 Sự hấp phụ các phân tử hữu cơ trên bề mặt MoX2 (X=S, Se) pha tạp Fe 62 3.3.1 Cấu hình hấp phụ bền 62 3.3.2 Các giá trị năng lượng của quá trình hấp phụ 64 3.3.3 Phân tích AIM và NBO 68 3.3.4 Nhận xét chung 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1 Kết luận 80 2 Kiến nghị 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT 1 Các ký hiệu EA : Năng lượng hấp phụ EI : Năng lượng tương tác Esurf-mol : Năng lượng tối ưu phức Esurf : Năng lượng tối ưu bề mặt Emol : Năng lượng tối ưu phân tử Esurf* : Năng lượng điểm đơn của bề mặt tại cấu trúc hình học của phức Emol* : Năng lượng điểm đơn của phân tử tại cấu trúc hình học của phức ED-mol : Năng lượng biến dạng của phân tử hấp phụ ED-mol : Năng lượng biến dạng của bề mặt ρ(r) : Mật độ electron tại điểm tới hạn liên kết λ1, λ2, λ3 : Các trị riêng của ma trận mật độ Hessian 2ρ(r) : Laplacian tại điểm tới hạn liên kết H(r) : Tổng năng lượng mật độ electron khu trú V(r) : Mật độ thế năng electron khu trú G(r) : Mật độ động năng electron khu trú *(O-H) : Mật độ electron ở orbital xích ma phản liên kết O-H 2 Các chữ viết tắt AIM : Atom In Molecule (thuyết nguyên tử trong phân tử) BCP : Bond Critical Point (điểm tới hạn liên kết) CCP : Cage Critical Point (điểm tới hạn lồng) RCP : Ring Critical Point (điểm tới hạn vòng) EDT : Electron Density Transfer (sự chuyển mật độ electron) GTO : Gaussian Type Orbital (orbital kiểu Gaussian) HF : Hartree-Fock (ký hiệu tên phương pháp) MP2 : Møller Plesset 2 (phương pháp nhiễu loạn bậc 2) NAO : Natural Atom Orbital (orbital nguyên tử thích hợp) LMO : Local Molecular Orbital (orbital phân tử khu trú) NBO : Natural Bond Orbital (orbital liên kết thích hợp) DPE : Deprotonation Enthalpy (entanpi tách proton) MEP : Molecular Electronstatic Potential (thế tĩnh điện phân tử) VOC : Volatile organic compound (hợp chất hữu cơ dễ bay hơi) TMD : Transition metal dichalcogenide (dichalcogenide kim loại chuyển tiếp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang Một số thông số hình học của các phân tử hữu cơ tính theo lý 3.1 thuyết và thực nghiệm (r-độ dài liên kết, đơn vị Å; α-góc, 42 đơn vị góc o) 3.2 Điện tích NBO trên các nguyên tử trong phân tử hữu cơ 43 Một số thông số hình học của các cấu hình hấp phụ bền nhất 3.3 trong các hệ VOC-MoX2 khảo sát (d-khoảng cách, đơn vị Å; 48 α-góc, đơn vị góc o) Năng lượng hấp phụ, năng lượng tương tác và năng lượng 3.4 biến dạng (đơn vị eV) đối với các phức bền nhất của các hệ 49 VOC-MoX2 3.5a Các đại lượng đặc trưng của hình học topo của các cấu trúc 52 bền với MoS2 ở mức lí thuyết B3LYP/LANL2DZ (đơn vị au) 3.5b Các đại lượng đặc trưng của hình học topo các cấu trúc bền 54 với MoSe2 ở mức lí thuyết B3LYP/LANL2DZ (đơn vị au) 3.6a Các đặc trưng cho sự chuyển mật độ electron trong các cấu 56 trúc bền hệ VOC-MoS2 tại mức B3LYP/LANL2DZ 3.6b Các đặc trưng cho sự chuyển mật độ electron trong các cấu 58 trúc bền hệ VOC-MoSe2 tại mức B3LYP/LANL2DZ Năng lượng hấp phụ, năng lượng tương tác và năng lượng 3.7 biến dạng (đơn vị eV) của các hệ VOC-MoX2 pha tạp Fe (X 65 = S, Se) 3.8a Các đại lượng đặc trưng của hình học topo các hệ VOC- 69 MoS2-Fe ở mức lí thuyết B3LYP/LANL2DZ (đơn vị au) 3.8b Các đại lượng đặc trưng của hình học topo các hệ VOC- 71