CC BY
2
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АТОМОВ ВОДОРОДА С ПЛАНАРНЫМ БОРОМ И.А. Какорин, магистр
Волгоградский государственный университет (Россия, г. Волгоград)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-5-5-122-125
Аннотация. В данной статье рассматривается взаимодействие планарных структур бора с атомами водорода, рассмотрены теоретические и экспериментальные сведения о характеристиках связи, модификациях электронной структуры и потенциальных применениях. Теоретически показано наличия двух взаимодействий: физической и химической адсорбции атома водорода на поверхности планарного бора. Рассмотрен процесс адсорбции в пяти различных расположениях атома водорода над слоем. Показана деформация плоского слоя бора при химической адсорбции водородного атома. Изучение этих взаимодействий имеет решающее значение для прогресса в области хранения водорода, катализа и получения новых материалов.
Ключевые слова: борофен, плоский бор, хемосорбция, физическая адсорбция, молекулярный кластер, метод PM6.
Планарный бор, особенно в форме бо-рофена, вызывает значительный интерес благодаря своим уникальным электронным, механическим и химическим свойствам. Понимание того, как атомы водорода взаимодействуют с планарным бором, крайне важно для изучения потенциальных применений в различных областях [1].
Планарные структуры бора обладают отличительными характеристиками по сравнению с объемным бором. Борофен представляет собой монослой атомов бора, расположенных в различных конфигурациях решетки, что приводит к высокой гибкости, металлической проводимости и анизотропным механическим свойствам. Эти свойства делают его перспективным кандидатом для многочисленных применений при условии, что его взаимодействие с другими атомами и молекулами, например с водородом, будет хорошо изучено.
Атомы водорода могут взаимодействовать с планарным бором по нескольким механизмам связи: водород может образовывать прочные ковалентные связи с атомами бора, изменяя электронную структуру и стабильность борофена; физическая адсорбция - водород также может слабо взаимодействовать с поверхностью бора посредством ван-дер-ваальсовых сил; хи-
мическая адсорбция - атомы водорода образуют связи с бором.
Планарный бор обладает потенциалом для хранения водорода благодаря высокой площади поверхности и адсорбционному взаимодействию. Взаимодействие между водородом и борофеном может привести к эффективному обратимому поглощению и высвобождению водорода. Реакции гидрогенизации, протекающие под действием борофена, могут улучшить каталитические процессы.
Планарный бор может служить в качестве катализатора или каталитической поддержки, получая выгоду от изменения электронных свойств в результате адсорбции водорода. Функционализация борофе-на водородом позволяет изменять его свойства для конкретных применений, например, в сенсорах, электронных устройствах и энергетических материалах [2]. Взаимодействие с водородом может усиливать или изменять механические, термические и электрические свойства борофена.
Процесс взаимодействия атом водорода с планарным бором нуждается в теоретическом исследовании [3]. Исследование было проведено с использованием кластерной модели с использованием расчетного метода РМ6. Процесс адсорбции атома водорода на плоской поверхности бора
был смоделирован следующим образом: атом водорода изначально помещался на расстоянии около ЗА над поверхность бора, было выбрано 5 различных положений водородного атома относительно атомов поверхностного слоя бора. Движение атома бора происходило вдоль виртуального перпендикуляра, проведенного из начального положения атома водорода к поверхности бора. Вдоль движения водорода по перпендикуляру в определенных точках (интервал 0,01 А) рассчитывалась полная энергия системы.
Для получения наглядной информации была получен нормировочный график
процесса сближения атома водорода и планарного бора. Для построения графика использовались нормировочные значения, которые рассчитывались следующим образом: из полной системы энергии необходимо вычесть сумму энергий атома водорода и двумерного бора, рассчитанных на бесконечном расстоянии друг от друга, т.е. не взаимодействующих между собой. Значения рассчитаны в каждой выбранной точке с выбранным интервалом для каждого положения атома водорода над поверхностью борного слоя, графическая зависимость адсорбционного взаимодействия показана на рисунке 1.
Рис. 1.Зависимость энергии от расстояния между атомом водорода и плоским бором
На графике присутствуют минимумы и максимумы, минимумы можно трактовать как устойчивое стабильное положение атома водорода в точке с минимальной энергией, максимумы это значение энергетического барьера, которые необходимо преодолеть при приближении к борному слою.
При нахождении атома водорода в точке с минимальной энергией, т.е. в мини-
муме на графике, между атомами водорода и бора образуется ковалентная связь, наблюдается химическая адсорбция. На графики в положениях 3,4,5 наблюдается несколько минимумов, в этих положениях наблюдается физическая адсорбция атома водорода над поверхность борофена.
Значения энергии хемосорбции, расстояние хемосорбции и величина барьера представлены в таблице.
Таблица. Характеристики процесса адсорбции атома водорода на поверхности плоского
бора
№ варианта Еад, ЭВ Кад, А Ea, ЭВ
1 6,52 1,3 —
2 6,52 1,2 0,05
3 6,53 1,8 0,01
4 6,56 1,3 0,02
5 6,51 1,5 0,02
Адсорбция атома водорода наиболее выгодна, когда он расположен над атомом бора нанослоя, отсутствует барьер, который необходимо преодолеть для образования химической связи. Следует заметить,
что процесс адсорбции будет проходить эффективно, так как значение энергетических барьеров небольшое. При взаимодействии атома водорода с помощью слабых связей (физическая адсорбция) де-
формация плоского слоя бора практически отсутствует, наблюдается только смещение некоторых атомов из слоя бора навстречу к атому водорода. При взаимодействии атома водорода с атомом бора,
наблюдается небольшое смещение атомов бора, локализованных вблизи атома бора образующего химическую связь с водородом. Наблюдается деформация планарного бора (рис. 2).
Рис. 2. Взаимодействие атома водорода с планарным бором: а) расстояние взаимодействия
3 А: б) расстояние взаимодействие 1,3 А.
Взаимодействие планарного бора с атомами водорода существенно влияет на свойства материала и возможности его применения. Как теоретические, так и экспериментальные исследования позволили получить ценные сведения о механизмах
связи, изменениях электронной структуры и практических последствиях. Ожидается, что продолжение исследований в этой области откроет новые возможности и области применения материалов на основе бора в различных передовых технологиях.
Библиографический список
1. Панченко, А.Н. Двумерные материалы, их свойства и применение / А.Н. Панченко // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. - 2023. - № 2-2(77). -С. 132-134. - DOI 10.24412/2500-1000-2023-2-2-132-134.
2. Факиоглу, Э. Обзор систем хранения водорода на основе бора и бористых соединений / Э. Факиоглу, И. Юрум, Т.Н. Везироглу // International Scientific Journal Life and Ecology. - 2018. - № 1-2 (9-10). - С. 74-75.
3. Boroznina, E.V. Boron monolayer X3-type. formation of the vacancy defect and pinhole / E.V. Boroznina, O.A. Davletova, I.V. Zaporotskova // Журнал нано- и электронной физики. -2016. - Vol. 8, № 4. - P. 04054. - DOI 10.21272/jnep.8(4(2)).04054.
INTERACTION OF HYDROGEN ATOMS WITH PLANAR BORON
I.A. Kakorin, Master Volgograd State University (Russia, Volgograd)
Abstract. In this article, the interaction of planar boron structures with hydrogen atoms is considered, theoretical and experimental information on bond characteristics, modifications of the electronic structure and potential applications are considered. Theoretically, it is shown that there are two interactions: physical and chemical adsorption of a hydrogen atom on the surface of planar boron. The adsorption process in five different arrangements of the hydrogen atom above the layer is considered. The deformation of a flat boron layer during chemical adsorption of a hydrogen atom is shown. Studying these interactions is crucial for progress in hydrogen storage, catalysis, and the production of new materials.
Keywords: borophene, flat boron, chemisorption, physical adsorption, molecular cluster, PM6 method.
