Khảo sát tính chất kỵ nước của graphene pha tạp nitơ và boron bằng lý thuyết phiếm hàm mật độ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  NGUYỄN VĂN PHƢƠNG KHẢO SÁT TÍNH CHẤT KỴ NƢỚC CỦA GRAPHENE PHA TẠP NITƠ VÀ BORON BẰNG LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC ĐÀ NẴNG, NĂM 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  NGUYỄN VĂN PHƢƠNG KHẢO SÁT TÍNH CHẤT KỴ NƢỚC CỦA GRAPHENE PHA TẠP NITƠ VÀ BORON BẰNG LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ Chuyên ngành: HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ Mã số: 60440119 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM TẤN THI PGS TS GIANG THỊ KIM LIÊN ĐÀ NẴNG, NĂM 2019 MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 GIỚI THIỆU VỀ GRAPHENE 1.1.1 Graphene graphit 1.1.2 Phân loại graphene a Graphene đơn b Graphene kép 1.2 NHỮNG ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC GRAPHENE 10 1.3 TÍNH CHẤT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CỦA GRAPHENE 13 1.3.1.Cấu trúc vùng lƣợng graphene 13 1.3.2 Mật độ trạng thái 15 1.4 GRAPHENE PHA TẠP NITƠ VÀ BORON 16 1.4.1 Graphene pha tạp Nitơ 17 1.4.2 Graphene pha tạp Boron 18 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19 2.1 PHƢƠNG PHÁP LÍ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ (DFT) 19 2.1.1 Phƣơng trình Schrodinger 19 2.1.2 Các định lý Hohenberg-Kohn 20 2.1.3 Các phƣơng trình Kohn-Sham 21 2.1.4 Phiếm hàm tƣơng quan trao đổi 22 2.1.5 Định lý Bloch sở sóng phẳng 23 2.1.6 Sử dụng giả 24 2.1.7 Ch o hóa 25 2.2 MẬT ĐỘ TRẠNG THÁI ĐIỆN TỬ 26 2.3 CHƢƠNG TRÌNH QUANTUM ESPRESSO 26 2.4 MƠ HÌNH HĨA CÁC TƢƠNG TÁC NƢỚC – GRAPHENE 27 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 TỐI ƢU HÓA CẤU TRÚC VẬT LIỆU 31 3.2 MẬT ĐỘ TRẠNG THÁI 34 3.3 PHÂN BỐ MẬT ĐỘ ĐIỆN TÍCH 42 3.4 TÍNH TỐN TƢƠNG TÁC PHÂN TỬ H2O VỚI GRAPHENE PHA TẠP NITƠ VÀ BORON 46 3.4.1 Năng lƣợng graphene pha tạp nguyên tử Nitơ, Boron cặp NB 46 3.4.2 Tƣơng tác phân tử nƣớc graphene nguyên chất 47 3.4.3 Tƣơng tác phân tử nƣớc graphene pha tạp Nitơ 48 3.4.4 Tƣơng tác phân tử nƣớc graphene pha tạp Boron 49 3.4.5 Tƣơng tác phân tử nƣớc graphene pha tạp cặp Nitơ Boron 50 3.5 THỰC NGHIỆM ĐO ĐẠC STM TRÊN MẪU GRAPHENE PHA TẠP NITƠ SO SÁNH VỚI TÍNH TỐN LÝ THUYẾT 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT B Boron C Cacbon DFT Phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory) DOS Mật độ trạng thái điện tử density of states) GGA Xấp xỉ gradient tổng quát (Generalised Gradient Approximation) H Hidro LDA Xấp xỉ mật độ địa phƣơng Local Density Approximation) N Nitơ NB Nitơ Boron N-CNTs Vật liệu cacbon nano ống biến tính Nitơ PAW Phƣơng pháp tăng cƣờng sóng chiếu (Projector Augmented Wave) PW Sử dụng hệ sóng phẳng plane wave) PP Giả pseudopotentials) STM Kính hiển vi điện tử xuyên hầm (Scanning tunneling microscope) THPT Trung học phổ thơng WCA Góc tiếp xúc nƣớc (Water contact angle) vdW Van der Waals vdW-DFT Tính lực van der waal phiếm hàm mật độ (Van der Waals – Density Functional Theory) DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng Bảng 3.1 Tên bảng Bảng lƣợng graphene pha tạp Nitơ, Boron hay cặp NB vị trí khác Trang 46 Năng lƣợng tƣơng tác phân tử nƣớc với graphene Bảng 3.2 nguyên chất (Số liệu công bố: J Phys Chem Lett 2019, 10 (3), 358-368 Và số liệu tính tốn phần 47 mềm: vdW-DF2C09x, rev-vdW-DF2, rvv10, DFT-D3) Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Bảng lƣợng tƣơng tác phân tử nƣớc với graphene pha tạp Nitơ Bảng lƣợng tƣơng tác phân tử nƣớc với graphene pha tạp Boron Bảng lƣợng tƣơng tác phân tử nƣớc với graphene pha tạp nguyên tử Nitơ Boron 48 49 50 55 + Pha tạp N hay B vào graphene lƣợng lớn so với graphene nguyên chất Điều chứng tỏ pha tạp graphene mức độ tƣơng tác graphene với nƣớc mạnh + Trong loại pha tạp pha tạp nguyên tử N vị trí AB lớn - Kết đo kính hiển vi điện tử xuyên hầm (STM) mẫu graphene pha tạp Nitơ hồn tồn phù hợp với tính tốn phƣơng pháp vdW – DFT Luận văn hoàn thành đƣợc mục tiêu ban đầu đề ra: Khảo sát phân bố điện tích pha tạp nguyên tố nitơ boron nồng độ thấp vào graphene thực nghiệm tính chất kị nƣớc hệ vật liệu Kiến nghị Luận văn dừng graphene 4x4 pha tạp 1, nguyên tử N hay B vào hệ để tƣơng tác với phân tử H2O Cơng việc tiếp tục phát triển khía cạnh khác nhƣ: pha tạp nhiều nguyên tử, tƣơng tác graphene với nƣớc nhiều phân tử H2O Xét tiếp yếu tố ảnh hƣởng lớp graphene để tạo vật liệu tối ƣu 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Hà Quang Ánh (2016), Nghiên cứu tổng hợp đặc trưng vật liệu cấu trúc nano sở graphen ứng dụng xử lí mơi trường, Luận văn tiến sĩ hóa học, viện hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam, Hà Nội [2] Lê Đình 1999), Bài giảng Vật lí chất rắn bán dẫn, Đại học sƣ phạm Huế, Huế [3] Trƣơng Minh Đức (2010), Giáo trình vật lý chất rắn, Đại học sƣ phạm Huế, Huế [4] Lê Thị Bích Liên – Chất bán dẫn graphen, luận văn tốt nghiệp đại học [5] Phan Ngọc Minh (2014), Vật liệu cacbon cấu trúc nano ứng dụng tiềm NXB Khoa học tự nhiên cơng nghệ, Hà Nội [6] Nguyễn Bích Ngọc (2019), Sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ khảo sát cấu trúc vùng lượng tính chất nhiệt điện Bi2Te3 số điều kiện ngoài, luận văn thạc sỹ vật lý, viện hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam, Hà Nội [7] Nguyễn Ngọc Long (2007), Vật lý chất rắn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội [8] Nguyễn Thị Vƣơng Hoàn, Nguyễn Ngọc Minh, Cao Văn Hoàng, Võ Viễn 2015), “Cải thiện khả phân tán sắt vật liệu graphen oxit”, Tạp chí hóa học, 3e12(53), 360-364 [9] Nguyễn Kế Quang (2014), Nghiên cứu tổng hợp graphen oxit, graphen ứng dụng làm chất hấp phụ màu, Luận văn thạc sỹ, Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội [10] TS Ngô Văn Thanh 2009), Bài giảng Vật Lý bán dẫn II, Viện Vật Lý, Hà Nội [11] Hồ Thị Tuyết Trinh 2015), “Tổng hợp vật liệu hạt nano oxit sắt từ graphen”, Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX- Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, ISBN: 978-604-82-1375-6, 165-173 57 [12] Trƣơng Hữu Trì, Nguyễn Đình Lâm, 2017) Nghiên cứu sử dụng ống than nano biến tính nitơ làm chất mang cho xúc tác phản ứng hydro hóa chọn lọc cinnamaldehyde, Science & Technology Development, Vol 20, No K1 – 2017 Tiếng Anh [13] A Castro Neto et al (2009) Rev Mod Phys 81, 109–162 [14] A C Ferrari et al (2014), Nanoscale, 7, 4598–4810 [15] A Ashraf, Y Wu, M.C Wang, K Yong, T Sun, Y Jing, R.T Haasch, N.R Aluru, and S Nam (2016), Nano Lett 16, 4708 [16] C Melios, C.E Giusca, V Panchal, and O Kazakova (2018), 2D Mater 5, 22001 [17] D Parobek and H Liu (2015), 2D Mater 2, 32001 [18] Driskill J, Vanzo D, Bratko D and Luzar A (2014), Wetting transparency of graphene in water J Chem Phys 141 18C517 [19] E Cabiscol, J Tamarit and J Ros (2000) "Oxidative stress in bacteria and protein damage by reactive oxygen species," Internatl Microbiol., vol 3, pp 3-8 [20] F Schwierz (2010), Nat Nanotechnol 5, 487–496 [21] Freitas R R Q, Rivelino R, Mota F D B and De Castilho CMC (2011), DFT studies of the interactions of a graphene layer with small water aggregates J Phys Chem A 115 12348–56 [22] J P Perdew, K Burke and M Ernzerhof (1996), "Generalized Gradient Approximation Made Simple," Phys Rev Lett., vol 77, p 3865 [23] J Hafner (2007), "Materials simulations using VASP - a quantum perspective to materials science," Comput Phys Commun , vol 177, pp 6-13 [24] J P Perdew, J A Chevary, S H Vosko, K A Jackson, M R Pederson, D J Singh and C Fiolhais (1992), "Atoms, molecules, solids, and surfaces: Applications of the generalized gradient approximation for exchange and correlation," Phys Rev B, vol 46, p 6671 58 [25] J Hafner (2008), " Ab-Initio Simulations of Materials Using VASP: DensityFunctional Theory and Beyond," J Comput Chem., vol 29, pp 2044-2078 [26] J Hafner (2010), " Ab initio density-functional calculations in materials science: from quasicrystals over microporous catalysts to spintronics," J Phys Condens Matter , vol 22, p 384205 [27] J Kohanoff (2006), Electronic structure calculations for solids and molecules: Theory and Computational Methods, Cambridge: Cambridge University Press [28] J Dai, J Yuan, and P Giannozzi, Appl (2009) Phys Lett 95, 232105 [29] J Abraham, K S Vasu, C D Williams, K Gopinadhan, Y Su, C T Cherian, J [30] J Dauber, A A Sagade, M Oellers, K Watanabe, T Taniguchi, D Neumaier, and C Stampfer (2015), Appl Phys Lett 106, 193501 [31] J Klimes, D Bowler and A Michelides (2010) "Chemical accuracy for the van der Waals density functional," J Phys.: Cond Matt., vol 22, p 022201 [32] G Hong, Y Han, T.M Schutzius, Y Wang, Y Pan, M Hu, J Jie, C.S Sharma, U Müller, and D Poulikakos (2016), Nano Lett 16, 4447 [33] G A Tritsaris (2011), Trends in low-temperature fuel cell catalysis-a computational study, Lyngby, Denmark: Technical University of Denmark [34] G Kresse and J Hafner (1993), "Ab initio molecular dynamics for liquid metals.," Phys Rev B, vol 47, p 558 [35] G Kresse and J Hafner (1994), "Ab initio molecular-dynamics simulation of the liquid-metal-amorphous-semiconductor transition in germanium.," Phys Rev B, vol 49, p 14251 [36] G Kresse and J Furthmüller (1996), "Efficiency of ab-initio total energycalculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set," Comput Mat Sci., vol 6, pp 15-50 [37] G Kresse and J Furthmüller (1996), "Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set," Phys Rev B, vol 54, p 11169 59 [38] H Wang, T Maiyalagan, and X Wang (2012) ACS Catal 2, 781 [39] H S Koh, M K Rana, J H and D J Siegel (2013) "Thermodynamic screening of metal-substituted MOFs for carbon capture," Phys Chem Chem Phys., vol 15, pp 4573-4581 [40] Ho T A and Striolo A (2013), Polarizability effects in molecular dynamics simulations of the graphene-water interface J Chem Phys 138 0–9 [41] Hong G, Han Y, Schutzius T M, Wang Y, Pan Y, Hu M, Jie J, Sharma C S, Müller U and Poulikakos D (2016), On the mechanism of hydrophilicity of graphene Nano Lett 16 4447–53 [42] Hughes Z and Walsh T R (2015), Computational chemistry for graphenebased energy applications: progress and challenges Nanoscale 6883–908 [43] I Hamada (2012), Phys Rev B 86, 195436 [44] K S Novoselov et al (2004), Science 306, 666 [45] K Momma and F Izumi (2011) "VESTA for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data," J Appl Crystallogr., vol 44, pp 1272-1276 [46] L Kong, A Enders, T.S Rahman, and P.A Dowben (2014), J Phys Condens Matter 26, 443001 [47] Leenaerts O, Partoens B and Peeters F M (2008), Adsorption of H2O, NH3, CO, NO2, and NO on graphene: a first-principles study Phys Rev B 77 125416 [48] Leenaerts O, Partoens B and Peeters F (2009), Water on graphene: Hydrophobicity and dipole moment using density functional theory Phys Rev B 79 1–5 [49] Li H and Zeng X C (2012), Wetting and interfacial properties of water nanodroplets in contact with graphene and monolayer boron–nitride sheets ACS Nano 2401–9 [50] M B Lerner et al (2017), Sensors Actuat B Chem 239, 1261–1267 60 [51] M C Payne, M P Teter, D C Allan, T A Arias and J D joannopoulos (1992), "Iterative minimization techniques for ab initio total-energy calculations: molecular dynamics and conjugate gradients," Rev Mod Phys , vol 64, pp 1046-1077 [52] M K Rana, H S Koh, H Zuberi and D J Siegel (2014), "Methane Storage in Metal-Substituted Metal−Organic Frameworks: Thermodynamics, Usable Capacity, and the Impact of Enhanced Binding Sites," J Phys Chem C, vol 118, p 2929−2942 [53] M Rana, H S Koh, J Hwang and D J Siegel (2012), "Comparing van der Waals Density Functionals for CO2 Adsorption in Metal Organic Frameworks," J Phys Chem C, vol 116, no 32, pp 16957-16968 [54] Ma M, Tocci G, Michaelides A and Aeppli G (2015), Fast diffusion of water nanodroplets on graphene Nat Mater 15 66–71 [55] N Omer, A Rohilla, S Rohilla and A Kushnoor (2012), "Nitric Oxide: Role in Human Biology," Int J Pharm Sci Drug Res., vol 4, no 2, pp 105-109 [56] N Y Dzade, A Roldan and N H d Leeuw (2014), "The surface chemistry of NOxon mackinawite (FeS) surfaces: a DFT-D2 study," Phys Chem Chem Phys., vol 16, pp 15444-15456 [57] R R Nair, H A Wu, P N Jayaram, I V Grigorieva, and A K Geim (2012), Science 335, 442–444 [58] Ribeiro R M, Peres N M R, Coutinho J and Briddon P R (2008), Inducing energy gaps in monolayer and bilayer graphene: local density approximation calculations Phys Rev B 78 1–7 [59] S Novikov, N Lebedeva, and A Satrapinski (2015), J Sensors 2015, 1–7 [60] S P Surwade, S N Smirnov, I V Vlassiouk, R R Unocic, G M Veith, S Dai, and S M Mahurin (2015), Nat Nanotechnol 10, 459–464 [61]Stefano Agnoli and Marco Favaro, (2016), Doping graphene with boron: a review of synthesis methods, physicochemical characterization, and emerging applications, J Mater Chem, A, 2016, 4,5002 61 [62] Shih C J, Wang Q H, Lin S, Park K C, Jin Z, Strano M S and Blankschtein D (2012), Breakdown in the wetting transparency of graphene Phys Rev Lett 109 1–5 [63] Song R, Feng W, Jimenez-Cruz C A, Wang B, Jiang W, Wang Z and Zhou R (2015), Water film inside graphene nanosheets: electron transfer reversal between water and graphene via tight nano-confinement RSC Adv 274–80 [64] S Agnoli and M Favaro, J Mater (2016) Chem A 4, 5002 [65] S B Trickey (1990) Advances in Quantum Chemistry - Volume 21 - Density Functional Theory of Many-Fermion Systems, Inc., USA: Academic Press [66] T Tian, S Lin, S Li, L Zhao, E.J.G Santos, and C.-J Shih (2017), Langmuir 33, 12827 [67] X Li, J Feng, E Wang, S Meng, J.Klimes, and A Michaelides (2012), Phys Rev B 85, 85425 [68] Wehling T O, Lichtenstein A I and Katsnelson M I (2008), Firstprinciples studies of water adsorption on graphene: the role of the substrate Appl Phys Lett 93 1–4 ... PHẠM  NGUYỄN VĂN PHƢƠNG KHẢO SÁT TÍNH CHẤT KỴ NƢỚC CỦA GRAPHENE PHA TẠP NITƠ VÀ BORON BẰNG LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ Chuyên ngành: HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ Mã số: 60440119 LUẬN VĂN THẠC... việc pha tạp hấp phụ phân tử nƣớc lên cấu trúc điện tử graphene đƣợc làm sáng tỏ Chính lí mà tơi chọn đề tài: ? ?Khảo sát tính chất kỵ nước graphene pha tạp Nitơ Boron lý thuyết phiếm hàm mật độ. ”... nghiên cứu kỵ nƣớc graphene pha tạp N hay B lý thuyết phiếm hàm mật độ 3.2 MẬT ĐỘ TRẠNG THÁI (DOS) Sau mơ hình hóa vật liệu graphene 4x4 graphene pha tạp N, B hay NB Tiến hành xác định mật độ trạng