بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه، با استفاده از محاسبات DFT برهمکنش میان مولکول مونوکسید کربن و نانو ورقه بریلیم اکسیدی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این مطالعه نشان میدهد که مولکول مونوکسید کربن برهمکنش موثری با سطح نانو ورقه مورد نظر دارد. همچنین نتایج مربوط به مقادیر انرژی جذب نشان میدهد که بیشترین مقدار انرژی جذب متعلق به برهمکنش مولکول مولکول مونوکسید کربن از سمت اتم اکسیژن یا کربن به اتم بریلیم نانو ورقه میباشد. براساس شکاف انرژی بدست آمده مشخص میگردد که کاهش قابل توجهی در خصوصیات الکترونی نانوورقه بعد از جذب مولکول مونوکسید کربن مشاهده میشود. پس در نتیجه این نانوورقه به اندازه کافی برای آشکارسازی مولکول مونوکسید حساس است. این ویژگیها نانو ورقه بریلیم اکسیدی را برای قابلیت سنسوری مولکول مونوکسید کربن منحصر به فرد مینماید. بنابراین میتوان نتیجه گرفت که نانوورقه بریلیم اکسیدی میتوانند کاندیدای خوبی برای آشکارسازی مولکول مونوکسید کربن باشد.
کلمات کلیدی: اکسید بریلیم، منواکسید کربن، جذب سطحی
.1 مقدمه
آلاینده هوا به هر مادهای در هوا که میتواند برای انسان یا محیط زیست مضر باشد اطلاق میگردد و به دو دستهی نوع اول و نوع دوم تقسیمبندی میشود. آلاینده نوع اول آلایندهای است که از منابع آلاینده طبیعی انسانی یا طبیعت آزاد میشود. مونوکسیدکربن و دیاکسیدکربن از جملهی این دسته آلایندهها است که در نتیجه سوختن به وجود میآید. اما آلاینده نوع دوم آلایندهای است که از واکنش شیمیایی آلاینده نوع اول با دیگر اجزای هوا به وجود میآید. مونوکسیدکربن با فرمول شیمیایی CO گازی بیرنگ و بیبو ولی بسیار سمی است. منبع اصلی تولید این گاز اتومبیلها هستند. گاز مونوکسیدکربن در هوای آزاد و به مقدار کم، زندگی بیماران قلبی و ریوی را به خطر میاندازد و در افراد سالم باعث سردرد، سرگیجه، خستگی زیاد و تحریک اعصاب و استنشاق این گاز در محیطهای در بسته باعث خفگی و مرگ میشود .
با افزایش گازهای آلاینده و خطرات محیط زیستی آنها محققان را بر آن داشت که حسگرهای گازی با سطح مؤثر بیشتر در عین حال وزن کمتر و استحکام بالا تولید کنند. نانولولهها با توجه به خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردشان بسیار مورد توجه محققان محیط زیست قرار گرفته است. در سالهای اخیر مطالعات فراوانی بر روی نانولولهها به خصوص نانولولهی کربنی برای جذب گازها مانند: NO، CO، O2 و. . .انجام گرفته که نشان دهنده این است که در بیشتر موارد نانولولهها را میتوان به عنوان نانوحسگر با مواد دیگر جایگزین کرد. در این مطالعه تلاش میگردد توانایی جذب و حسگری گاز مونو کسید کربن برروی نانو ورقه BeO مطالعه گردد.
-2روش تحقیق
-1روش انجام محاسبات
ابتدا ساختار هندسی نانو ورقهی خالص بریلیم اکسیدی با روش B3LYP و مجموعه پایه 6-31G بهینهسازی شدند.سپس به جای یکی از اتمهای بریلیم درنانوورقه اتم منیزیم قرار داده شد و ساختارها با روشB3LYP/6-31gمجدداً بهینهسازی شدند. بعد از آن، جذب مولکول مونوکسیدکربن - CO - بر روی نانو نانو ورقهیخالص و یا دوپه شده باMg موردبررسی قرارگرفت.در تمامی مراحل فایل خروجی ازبرنامهView Gauss بهعنوان فایل ورودی Gaussian، با پسوند gjf ذخیره شدند.سپس با استفاده از برنامهGaussian 09 و به کارگیری روشهای ذکر شده ساختار هندسی نانو ورقه خالص و دوپه شده بهینهسازی شدند.بعد از قرار دادن مولکول CO در وضعیتهای مختلف بر روی نانو ورقهی و بهینهسازی هندسی، بررسی انرژی جذب - Eads - کمپلکسها انجام گردید. انرژی جذب مولکول CO توسط نانو ورقهی خالص و یا دوپه شده طبق معادله - 1-1 - بدست آمده است:
که در این معادله Ecomplex نشان دهنده انرژی کمپلکس ناشی از جذب مونوکسید کربن بر روی نانو ورقهی بریلیم اکسیدی خالص و یا دوپه شده میباشد. همچنین CO و sh e e t به ترتیب بیانگر انرژیهای مولکول مونوکسید کربن و نانو ورقه بریلیم اکسیدی قبل از کمپلکس شدن و به صورت منزوی میباشند. مقادیر منفی انرژی جذب مربوط به جذب مطلوب مونوکسید کربن بر روی نانو ورقه مورد بررسی است.همچنین از فایل خروجی بدست آمده، طیف چگالی حالتها - DOS - بدست میآید، که برای رسم این طیف از برنامه GaussSum استفاده شده است. در این طیف شکاف انرژی - Eg - از تفاضل سطوح انرژی - EHOMO - HOMO و - ELUMO - LUMO طبق معادله - 2-1 - بدست میآید:
اعداد بدست آمده برای سطوح انرژی بر حسب واحد الکترون-ولت هستند. طیف چگالی حالت - تعداد حالتهای در دسترس هر تراز انرژی برای اشغال میدهد.
-2 مطالعه خواص ساختاری و الکترونی نانو ورقه بریلیم اکسیدی - BeO -
در ابتدا ساختار هندسی یک نانو ورقهی خالص بریلیم اکسیدی - BeO - که شامل پنجاه اتم میباشد، با استفاده از سطح محاسباتی B3LYP/6-31G بهینه گردیده است. لازم به ذکر است که برای جلوگیری از اثرات مرزی انتهای نانو ورقه مورد نظر هیدروژندار گردیده است. طول پیوند بهینهی Be-O برای این نانو ورقه، 1/45 Å بهدست آمده است. همچنین شکاف انرژی برای این ساختار هندسی بهینه، 3/432 eV میباشد. ساختار بهینه و طیف چگالی حالتها - DOS - * برای نانو ورقهی مورد مطالعه در شکل 1 نشان داده شده است. این مقادیر بهدست آمده برای طول پیوند و شکاف انرژی در تطابق با نتایج تجربی و تئوری گزارش شده قبلی میباشند.
خواص الکترونی یک نانو ورقهی خالص بریلیم اکسیدی - BeO - نیز بررسی شده است. شمایاوربیتالهای HOMO و LUMO نانو ورقهی خالص بریلیم اکسیدی در شکل 2 نشان داده شده است. با توجه به اینشکل، در این نانو ورقه مورد بررسی اوربیتال LUMO بر روی اتمهای بریلیم متمرکز هستند و اوربیتال HOMO بر روی اتمهای اکسیژن و بریلیم ساختار قرار دارند. بنابراین در این نانو ورقه اتمهای اکسیژن در موقعیت الکتروندوست و اتمهای بریلیم در موقعیت هستهدوست هستند. مقادیر انرژی اوربیتالهای HOMO و LUMO به همراه مقادیر محاسبه شده شکاف انرژی - Eg - برای نانوورقه مورد بررسی در جدول 1 گردآوری شده است. مقادیر بزرگ شکاف انرژی این است که نانو ورقه نیمه رسانا است. طیف چگالی حالت - DOS - بدست آمده نیز در شکل 2 نشان داده شده است.
