CC BY
0ENDOHEDRAL GRAFEN NANOTASMALARINING KATALITIK SINTEZ MAXANIZMLARI
1Normurodov Izzatilla Bahodir o'g'li, 2Ergasheva Aziza Abdujabbor qizi, 3Mehmonov Kamoliddin Komiljon o'g'li, 4Xalilov Umedjon Boymamatovic
1talaba, Denov tadbirkorlik va pedagogoka insituti, 2stajyor-tadqiqotchi, O'zR FA, U.A. Arifov nomidagi Ion-plazma va lazer texnologiyalari institute, 3PhD talabasi, O'zR FA, U.A. Arifov nomidagi Ion-plazma va lazer texnologiyalari institute, 4fiz.-mat. fanlari doktori, katta ilmiy xodim, O'zR FA, Arifov nomidagi Ion-plazma va lazer texnologiyalari instituti https://doi.org/10.5281/zenodo.11115317
Abstract. Graphene nanoribbons (GNR) are a promising material for today's nanotechnology due to their remarkable physical properties. They are being utilized in various theoretical and practical applications, ranging from transistors to optoelectronic devices. Although the synthesis of endohedral GNR has been intensively studied by experiment and modeling, catalytic synthesis mechanisms of endohedral GNR is still ellusive. In this work, we investigate the catalytic synthesis of endohedral GNRs from acetone and methanol feedstocks using molecular dynamics simulations.
Keywords: graphene nanoribbons, double-walled carbon nanotubes, metal catalysts, molecular dynamics.
Аннотация. Графеновые наноленты (ГНР) являются перспективным материалом для современных нанотехнологий благодаря своим замечательным физическим свойствам. Они используются в различных теоретических и практических приложениях, от транзисторов до оптоэлектронных устройств. Хотя синтез эндоэдрального GNR интенсивно изучается с помощью экспериментов и моделирования, механизмы каталитического синтеза эндоэдрального GNR все еще неясны. В этой работе мы исследуем каталитический синтез эндоэдральных GNR из ацетона и метанола с использованием молекулярно-динамического моделирования.
Ключевые слова: графеновые наноленты, двустенные углеродные нанотрубки, металлические катализаторы, молекулярная динамика.
Annotatsiya. Grafen nanotasmalari (GNT) ajoyib fizik xususiyatlari tufayli bugungi kun zamonaviy nanotexnologiyasi uchun istiqbolli material sifatida qaralmoqda. Ulardan tranzistorlardan optoelektronik qurilmalargacha bo'lgan nazariy va amaliy qurilmalar ishlab chiqilmoqda. Endohedral GNTlar sintezi hozirgacha eksperiment va modellashtirish yordamida qizg'in tadqiq etilgan bo'lsada, ammo GNTlarningBQUNN ichidagi katalitik sinez mexanizmlari hali to'liq ochib berilmagan. Ushbu ishda BQUNN ichki fazosida nikel katalizatori ishtirokidagi atseton, metanol xom ashyolaridan endohedral GNTning sintez mexanizmlari o'rganildi.
Kalit so'zlar: grafen nanotasmalari, ikki qavatli uglerod nanonaychalari, metall katalizatorlar, molekulyar dinamika.
Grafen ko'plab tadqiqotlarda istiqbolli material sifatida keng o'rganilgan [1,2] bo'lsa-da, undagi taqiqlangan soha kengligining nolga yaqinligi grafenni elektronik qurilmalarda qo'llash imkoniyatini cheklamoqda [3]. Ammo, so'ngi vaqtlarda uning ingichka (<100 nm) tasmasi bo'lgan grafen nanotasmasi (GNT), yangi kvazi 1D nanostruktura, grafendagi bu kamchilikni bartaraf etib, kelajak nanoqurilmalari uchun nomzod sifatida tadqiqotlar markaziga chiqmoqda [4-
6]. GNTlari bir qator ajoyib fizik xususiyatlarga ega. Jumladan, zigzag GNTlar chetki tuzilishidan qat'iy nazar metallik xususiyatni namoyon qilsa, armchair tuzilishdagilari kengligiga bog'liq ravishda metal yoki yarim o'tkazgich bo'lishi mumkin [7]. Hozirda GNTlardan tranzistorlardan optoelektronik qurilmalargacha nazariy [8] va amaliy [9] qurilmalar ishlab chiqilmoqda.
GNTlar asosan ikki xil: 1) yuqoridan-pastga va 2) pastga-yuqoriga yondoshuvlari orqali sintez qilanadi. Birinchi yondoshuv yordamida katta masshtabdagi GNTlar sintez qilish mumkin bo'lsada, GNTlarning kengligini va ayniqsa chetki tuzilishini atomar darajada boshqarib bo'lmaydi [10]. Ikkinchi, pastdan yuqoriga yondoshuvda nodir metalli katalizator tagliklarga poliaromatik uglevodorodlar tashlanib issiqlik tasirida GNTlar hosil qilinadi. Bu yondoshuvidagi yana bir ajoyib metod bu - GNTlarni bir qavatli uglerod nanonaychalari (BQUNN) ichida sintez qilishdir [11]. Uglerod nanonaychalari kenglik jihatdan cheklanganligi hamda kimyoviy reaksiyalar uchun inert muhit taqdim qila olganligi uchun (bunday UNNlarni nanoreaktor ham deb ataladi), bu yondashuvda GNTlar kengligini (~1 nm) va o'z navbatida uning fizik xususiyatlarini boshqarish mumkin.
Adabiyotlar tahlili shuni ko'rsatdiki, endohedral GNTlar sintezi hozirgacha eksperiment va modellashtirish yordamida qizg'in tadqiq etilgan bo'lsada, ammo uglerodning kislorodli birikmalaridan endohendral GNTlarning BQUNN ichidagi katalitik sinez mexanizmlari hali ochib berilmagan. Shundan kelib chiqib, ushbu ishda BQUNN ichki fazosida nikel katalizatori (Ni) ishtirokidagi atseton, metanol xom ashyolaridan endohedral GNTning sintez mexanizmlari o'rganildi.
Ushbu tadqiqot reaktiv molekulyar dinamika (MD) usullarini qo'llagan holda LAMMPS dasturiy to'plami [12] orqali amalga oshirildi. Tadqiqotda model tizimdagi atomlar orasidagi o'zaro ta'sirini ifodalash uchun ReaxFF potensialining Zou va uning hamkasblaritomonidan ishlab chiqilgan parametrlaridan foydalanildi [13]. Model tizim sifatida ichiga nikel katalizatori kiritilgan (10,10) xirallikli BQUNN, xom ashyo sifatida esa atseton, sirka kislotasi, dimetil efir va metanol gazlari tanlandi (1-rasm). Tanlangan BQUNN diametri 1,36 nm bo'lib, bu qiymat eksperimental tadqiqotlarda xabar qilingan BQUNN diametri (ya'ni, 1,3 nm dan 1,6 nm gacha) bilan mos keladi [14].
n¡18<®( íoxio)
®
1-rasm. Ni18@(10x10) model tizimning yondan va ko'ndalang ko'rinishi. BQUNN tayoqchali ko'rinishda, Ni atomlari esa sharsimon ko'rinishda tasvirlangan
Ushbu ishda modellashtirish fazosining o'lchamlari 4,9*4,9*5,8 nm3 sifatida tanlandi. Eksperimentlarda olinadigan juda uzun nanonaychaga taqlid qilish maqsadida, model nanonaycha uzunligi (z o'qi yo'nalishi) bo'yicha davriy chegaraviy shartlar qo'llanilgan. Bu BQUNN ichida hosil bo'lgan GNT davriy chegaraviy shartlar tufayli nazariy jihatdan cheksiz ekanligini anglatadi.
Dastlab termodinamik tizim energiyasi keskin tushish va birlashgan gradient usullarini navbatma-navbat qo'llash orqali minimallashtirildi. So'ngra tizim harorati 1700 K haroratgacha Berendsen termo/barostati [15] yordamida NpT ansamblda (ya'ni atomlar soni N, bosimi p va harorati T o'zgarmaydigan tizim sharoitida) qizdirilib , NVT ansamblda (ya'ni atomlar soni N,
modellashtirish fazosi hajmi V va harorati T o'zgarmaydigan tizim sharoitida) Bussi termostati [16] orqali termodinamik muvozanatda (ya'ni 1700 K haroratda) ushlab turildi. So'ngra, uglerod gazi BQUNN ichiga 0.1 ns interval bilan kiritib turildi. Kiritilgan gazlarning tezliklari yo'nalishi tasodifiy va moduli 1700 K haroratdagi o'rtacha kvadratik tezligiga mos holda tanlandi
2-rasmda Ni katalizatori ishtirokidagi endoedral GNTning (a) atseton, (b) metanol molekulalari orqali sintezining ikki bosqichi: nukleatsiya (I, II, III) va o'sish (IV, V) bosqichlari keltirilgan. Ularning sintez mexanizmlari o'xshash bo'lganligi uchun jarayonni atseton molekulasi orqali tushuntiramiz. BQUNN ichiga kiritilgan atseton molekulasi (CH3-CO-CH3), dastlab, nikel klasteri ustiga adsorbsiyalanadi (2a-rasm, II bosqich). So'ngra, katalizator sirtida kimyoviy dissotsialanib C-C, C-H, C-O va H-O bog'lari uziladi. Dissotsialangan vodorod hamda kislorod atomlari sirtda erkin tarqaladi va sirtdagi boshqa vodorod atomlari bilan birlashib, suv va vodorod molekulalari sifatida katalizator sirtini tark etadi.
2-rasm. Ni katalizatori ishtirokidagi endoedral GNTning (a) atseton, (b) metanol molekulalari orqali sintezining ikki bosqichi. Uglerod, nikel, kislorod va vodorod atomlari mos ravishda kulrang, yashil, qizil va ko'k rangda berilgan. GNTning ilk halqasi sariq rangda ajratib ko'rsatilgan.
Bunda vodorod molekulasi hosil bo'lish energiya to'sig'i AE= 0.23 eV bo'lsa, suv hosil bo'lish energiya to'sig'i biroz yuqori, ya'ni, 1.09 eV ga teng. Vodorod va kislorodlarini yo'qotgan uglerodlar nikel ichiga diffuziyalanadi va bu jarayon nikel klasterining uglerodga to'yingunigacha (ya'ni, uglerodlar miqdori nikel atomlari soning 30 % ni tashkil etgunicha) davom etadi. To'yinish jarayonidan keyin uglerod atomlari sirtdagi boshqa uglerod atomlari bilan bog'lanib uglerodli tuzilmalar, xususan, uglerod dimerlari, qisqa polinlar va keyinchalik dastlabki uglerod halqalari (ya'ni, pentagon, geksagon yoki geptagon halqalari) hosil qiladi (2a-rasm III bosqich, sariq rangdagi uglerod halqalari). Bu jarayon GNTning ilk nukleatsiyasi deb ataladi.
Nukleatsiyadan so'ng o'sish bosqichi boshlanadi. O'sishning dastlabki bosqichlarida strukturada nuqsonli (pentagon va geptagonlar) halqalar ulushi ko'proq bo'ladi. Ammo, o'sishning keyingi bosqichlarida geksagonlar soni doimiy ravishda ortib borib, GNTning uzluksiz o'sishini ta'minlaydi.
Ushbu ishda endoedral GNTlarning atseton va metanol ishtirokidagi katalitik sintez mexanizmlari reaktiv MD usulida tadqiq etildi. Olingan natijalar shuni ko'rsatdiki, garchi atseton va metanol molekulalaridan hosil bo'lgan GNTlar bir biridan farqlansada, GNTlarning katalitik sintez mexanizmlari bir-biriga juda yaqin. Ushbu tadqiqot yangi uglerod strukturalari, xususan, endoedral grafen nanotasmalarining selektiv sintezi mexanizmlarini yaxshiroq tushunish uchun yordam beradi.
REFERENCES
1. C. N. R. Rao et al., Mod. Phys. Lett. B 25, 427 (2011).
2. M. S. A. Bhuyan et al., Int. Nano Lett. 6, 65 (2016).
3. S. Kawai et al., Science Advances 4, eaar7181 (2018).
4. P. Ruffieux et al., Nature 531, 7595 (2016).
5. A. Celis et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 143001 (2016).
6. H. Wang et al., Nat Rev Phys 3, 12 (2021).
7. K. Nakada et al., Phys. Rev. B 54, 17954 (1996).
8. Y.-W. Son et al., Phys. Rev. Lett. 97, 216803 (2006).
9. E. J. H. Lee et al., Nature Nanotech 3, 486 (2008).
10. T. W. Chamberlain et al., ACS Nano 6, 3943 (2012).
11. U. Khalilov et al., Carbon 171, 72 (2021).
12. A. P. Thompson et al., Computer Physics Communications 271, 108171 (2022).
13. C. Zou et al., Acta Materialia 83, 102 (2015).
14. G. Chen et al., Physical Review Letters 90, 257403 (2003).
15. H. Berendsen et al., The Journal of Chemical Physics 81, 3684 (1984).
16. G. Bussi et al., The Journal of Chemical Physics 126, 014101 (2007).
