A DFT Study on Electronic and Structural Properties of Graphene Nanoribbons

We carry out quantum chemistry calculations on armchair graphene nanoribbons (AGNRs) using density-functional theory. PVE/SVP results for the dependence of energies of the highest occupied (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbitals (LUMO) as well as energy gaps on AGNR widths and lengths are presented. We compare the HOMO and LUMO energies of a series of AGNRs with those energies of fullerene C60 and its soluble derivative, PCBM, to ascertain whether it is possible to use such AGNRs as electron acceptors in organic solar cells. The influence of Stone-Wales defects embedded in the frameworks of AGNRs on their electronic properties is also studied

DFT Study on Structural and Mechanical Properties of Single-walled Carbon and Boron Nitride Nanotubes Functionalized with Carbenes

This paper presents quantum chemistry study on structural and mechanical properties of a series of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and boron nitride nanotubes (BNNTs) functionalized with carbenes. At the PBE/SVP level, the obtained data on pristine nanotubes are in good accordance with the results of previous experimental and theoretical studies. The calculations show that carbenes functionalization, in general, distorts both SWNCTs and BNNTs frameworks, but there exists the difference between ‘axial’ and ‘circumferential’ functionalization. It turns out that in both cases elastic properties diminish with increasing concentration of adsorbents, however, the functionalized SWCNTs and BNNTs remain strong enough to be suitable for reinforcement of composites

Structural and Mechanical Properties of Fluorinated SWCNTs: a DFT Study

This paper presents a study on structural and mechanical properties of a series of fluorinated armchair single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) by using density functional theory. At the PBE / SVP level, the data obtained compare well with experimental and theoretical studies. The results show that fluorination, in general, distort SWNCTs framework, but there exists the difference between ‘axial’ and ‘circumferential’ functionalization. It turns out that elastic properties diminish with increasing concentration of adsorbents, however, the fluorinated SWCNTs remain strong enough to be suitable for reinforcement of composites

Адсорбція водню на іонах Li+ та Na+, оздоблених короненом та корануленом: DFT, SAPT0 та IGM дослідження

Нові системи для зберігання водню мають велике значення для сучасної енергетики. У роботі ми досліджуємо адсорбцію водню на плоских (коронен) та зігнутих (коранулен) моделях адсорбенту за допомогою обчислень DFT-D3 та SAPT0. Для покращення поглинання водню ми також використовуємо "оздоблення" адсорбентів катіонами M (M = Li, Na). Було встановлено, що коранулен адсорбує катіони Li та Na майже однаково порівняно з короненом. Однак адсорбція водню набагато більш виражена у випадку коранулена. Так, наприклад, енергії адсорбції (Ea) для 1-ї та 4-ї молекул водню, адсорбованих на Li+@coronene and Li+@corannulene, складають відповідно – 4.387, – 1.336 ккал/мол та – 5.047, – 3.477 ккал/мол. Ми також використовуємо метод незалежної градієнтної моделі (IGM) для візуалізації взаємодіючих областей між катіонами, воднем та адсорбентами, що вивчаються. Ми ретельно показуємо сильну взаємодію між M+ та молекулами адсорбенту, а також слабку взаємодію між воднем та досліджуваними катіонами. Отримані результати повинні забезпечити глибокий аналіз основ зберігання водню з використанням поліароматичних вуглеводнів, оздоблених M+.The novel systems for hydrogen storage are of importance for the contemporary energetics. In this paper, we investigate hydrogen adsorption on planar (coronene) and bent (corannulene) adsorbent models by means of DFT-D3 and SAPT0 calculations. We also use the ‘decoration’ of the adsorbents with M (M = Li, Na) cations to improve H2 uptake. It was founded that corannulene adsorbs Li and Na cations almost equally compared with coronene. However, hydrogen adsorption is much more pronounced in the case of corannulene. Thus, for instance, adsorption energies (Ea) for the 1st and 4th H2 molecules adsorbed on Li+@coronene and Li+@corannulene are – 4.387, – 1.336 kcal/mol and – 5.047, – 3.477 kcal/mol, respectively. We also employ the independent gradient model (IGM) method to visualize interacting regions between cations, hydrogen and studied adsorbents. We accurately show the strong interactions between M+ and the adsorbent molecules as well as the weak ones between H2 and studied cations. The present results should provide in-depth analysis of the fundamentals of hydrogen storage using M+-decorated polyaromatic hydrocarbons

Дослідження адсорбції водню на h-BN за допомогою функціональної теорії щільності: ефекти домішки бору

У роботі теоретично досліджено адсорбцію молекули водню на гексагональному нітриді бору (h-BN), на h-BN збагаченому бором та гетероструктурі h-BN/графен з використанням стандартного узагальненого градієнтного наближення GGA PBE, а також функціоналів щільності PBE-D3 and B3LYP-D3 з корегованою дисперсією. Молекула коронену (C24H12) була узята як модель графенової системи. Як структура h-BN, використовувалася модель B12N12H12. Ми залучили B13N11H12, B14N10H12 та B15N9H12 як моделі збагачені бором. Для гетероструктури h-BN/графен ми використали модель C18B3N3H12. Встановлено, що дисперсійні взаємодії вносять важливий внесок у енергію адсорбції водню (Ea). Для h-BN покрокове заміщення азоту атомами бору змінює значення Ea. Однак ці зміни є досить помірними. Всі три використані методи прогнозують значне збільшення Ea для гетероструктури h-BN/графен, особливо при розгляді горизонтальної конфігурації. Результати цієї роботи показують, що введення невеликої кількості атомів з різними електронегативностями в одну структуру адсорбенту може істотно збільшити Ea, але приріст сильно залежить від конфігурації взаємодіючих видів. Ми вважаємо, що деякі з міркувань, отриманих у роботі, сприятимуть більш глибокому розумінню явищ адсорбції водню та розробці нових матеріалів для зберігання водню.In the paper, we have theoretically studied the adsorption of a hydrogen molecule on hexagonal boron nitride (h-BN), boron-rich h-BN, and the h-BN/graphene heterostructure by using standard GGA PBE as well as dispersion-corrected PBE-D3 and B3LYP-D3 density functionals. The coronene molecule (C24H12) has been adopted as a graphene model system. As the h-BN structure we use B12N12H12 model. As the boron rich models, we involve B13N11H12, B14N10H12, and B15N9H12. For the h-BN/graphene heterostructure we use the C18B3N3H12 model. It has been founded that the dispersion interactions make an important contribution to the hydrogen adsorption energy (Ea). For h-BN, the step-by-step substitution of nitrogen with boron atoms modifies Ea values. However, these changes are rather moderate. All three methods used predict the considerable increase in Ea for the h-BN/graphene heterostructure, especially when the horizontal configuration is considered. The results of this work indicate that the introduction of the small amount of atoms with different electronegativities in one adsorbent structure may substantially increase Ea, but the increment is strongly dependent on the configuration of the interacting species. We believe that some of the considerations, derived in our work, will contribute to a deeper insight into hydrogen adsorption phenomena and development of new materials for hydrogen storage

Физическая адсорбция азотсодержащих гетероциклов на гексагональном нитриде бора: исследование методом функционала плотности

In this paper, the physical adsorption of five different N-containing organic heterocycle molecules and benzene on hexagonal boron nitride (h-BN) has been studied using dispersion-corrected density functional theory (DFT-D3). Adsorption energies (Ea) have been obtained for all studied molecules, and it has been shown that Ea for pyridazine is maximal one. Electronic properties of the molecule/h-BN complexes have also been obtained. DFT-D3 calculations show that all the studied molecules, except pyridazine, introduce only minor changes in the HOMO-LUMO gap of h-BN upon the physisorption. Thus, the physisorption of N-containing heterocycle molecules on the h-BN plane through noncovalent van der Waals interactions represents a simple method to add arbitrary functionality to h-BN, preserving its electronic properties undisturbed. Additionally, the comparison of Ea for the adsorption on graphene, h-BN and their hybrid structure has been made.В настоящей работе была изучена физисорбция пяти различных азотсодержащих органических гетероциклических молекул и бензола на гексагональном нитриде бора (h-BN) с использованием дисперсионно-скорректированной теории функционала плотности (DFT-D3). Энергии адсорбции (Ea) были определены для всех изучаемых молекул, и было показано, что Ea для пиридазина является максимальной. Также получены электронные свойства комплексов молекула/h-BN. Расчеты методом DFT-D3 показывают, что все исследуемые молекулы, за исключением пиридазина, вводят лишь незначительные изменения в энергетический зазор ВЗМО-НСМО h-BN при физисорбции. Таким образом, физисорбция азотсодержащих молекул на плоскости h-BN посредствои нековалентных ван-дерваальсовых взаимодействий представляет собой простой способ для добавления произвольной функциональности к h-BN с сохранением их электронных свойств. Кроме того, было проведено сравнение величин Ea для адсорбции на графене, h-BN и их гибридной структуре

Пори одношарового нітриду бору як середовище для зберігання водню: DFT і IGM методи

Пошук нових середовищ для зберігання водню є важливим для переходу на "зелену" водневу енергетику. У даній роботі ми вивчаємо фізадсорбцію водню на порах одношарового нітриду бору (BN) за допомогою розрахунків DFT-D3. У роботі були задіяні різноманітні структури, від плоскої до порожнистих моделей. Встановлено, що моделі глибоких пор адсорбують молекули Н2 значно сильніше (енергія адсорбції Еа складає від – 11.41 до – 19.77 кДж/моль), ніж плоска структура h_BN (– 3.55 кДж/моль) і злегка зігнута структура 5_BN (6.77 кДж/моль). Для візуалізації взаємодіючих областей між воднем і серією адсорбентів використовувався додатковий незалежний градієнтний аналіз (IGM). Також ми чітко виявляємо атоми адсорбентів та молекулу адсорбату, що беруть участь у взаємодії. Ми показуємо, що периферійні атоми адсорбентів дають майже незначний внесок у загальну нековалентну взаємодію. Наведені результати повинні розширити розуміння фундаментальної основи зберігання водню з використанням моделей пор нітриду бору.The search of novel hydrogen storage media is of importance for the transfer to the ‘green’ hydrogen energetics. In this paper, we study hydrogen physisorption on single-walled boron nitride pores (BN) by means of DFTD3 calculations. A variety of structures, ranging from the planar one to hollow pore models, was involved. It was founded that deep pore models adsorb H2 molecules significantly stronger (adsorption energy, Ea, of – 11.41 to – 19.77 kJ/mol) than planar h_BN (– 3.55 kJ/mol) and slightly bent 5_BN (6.77 kJ/mol). Additional independent gradient model (IGM) analysis was employed to visualize interacting regions between hydrogen and a series of adsorbents. We also clearly reveal the atoms of adsorbents and the adsorbate molecule participating in the interaction more. We unambiguously show that peripheral atoms of the adsorbents give nearly negligible input in the total non-covalent interactions. The present results should expand our understanding of the fundamental basis of hydrogen storage using BN pore models

Исследование методом функционала плотности адсорбции водорода на графене: эффект допирования азотом

Using standard GGA PBE as well as dispersion-corrected PBE-D3 and B3LYP-D3 functionals we have theoretically studied the adsorption of a hydrogen molecule onto pristine and N-doped graphene. We have found that the van der Waals interactions make an important contribution to adsorption energy (Ea) of H2. In graphene, the step-by-step substitution of carbon atoms with nitrogen modifies Ea values. All three methods used predict the considerable increase in Ea for N-doped graphene, when the horizontal configuration is considered. The results of the present study indicate that the introduction of the small number of nitrogen atoms may increase the adsorption energy in graphene, but the increment, seemingly, is dependent on the configuration of the interacting species.Используя стандартный функционал GGA PBE, а также функционалы с дисперсионной коррекцией РВЕ-D3 и B3LYP-D3, мы теоретически изучили адсорбцию молекулярного водорода на чистый, и допированный азотом графен. Мы обнаружили, что взаимодействия Ван-дер-Ваальса вносят важный вклад в энергии адсорбции (Еа) водорода. Пошаговое замещение атомов углерода азотом в графене изменяет значения Еа. Все три метода предсказывают значительное увеличение Еа для допированного азотом графена при изучении горизонтальной конфигурации. Результаты данного исследования показывают, что введение небольшого количества атомов азота может увеличить энергию адсорбции в графене, но приращение, по-видимому, значительно зависит от конфигурации взаимодействующих частиц

Фізсорбція водню на гетероструктурах BNC: систематичне теоретичне дослідження

Ми вивчаємо адсорбцію водню на графені, гексагональному нітриді бору (h-BN) та їх BNC (боразот-вуглець) гетероструктурах за допомогою DFT. Систематично досліджуються різні комбінації залишків вуглецю та нітриду бору в одному шарі, а також вплив відношення вуглецю до BN на адсорбцію водню. Залучено теоретичний розгляд енергій адсорбції (Ea), карти електростатичного потенціалу, незалежний аналіз градієнтної моделі, а також моделювання Монте-Карло. Встановлено, що для ‘hollow’ адсорбції існує незначна різниця для графену та BNCs (~ 0,0 (вертикальна) та 0,1 (горизонтальна адсорбція) кДж/моль), тоді як BNCs демонструють достатньо вищу Ea порівняно з h-BN (0,3 та 0,7 кДж/моль). Для досліджуваної ‘top’ та ‘bond’ адсорбції зміни є більш вираженими. Надлишок сягає 0,4 та 0,9 кДж/моль (‘bond’), а також 0,8 та 1,0 кДж/моль (‘top’), для графену та h-BN відповідно. Ізотерми адсорбції водню демонструють підвищене поглинання водню BNCs у порівнянні з первинними аналогами.Herein, we study hydrogen adsorption on graphene, hexagonal boron nitride (h-BN) and their BNC (boron-nitrogen-carbon) heterostructures by using DFT. Different combinations of carbon and boron nitride moieties in one sheet, as well as the influence of carbon to BN ratio on the hydrogen adsorption, have been systematically investigated. We involve theoretical consideration of adsorption energies (Ea), electrostatic potential maps, independent gradient model analysis as well as Monte-Carlo simulations. We have established that for the ‘hollow’ adsorption, a minor difference for graphene and BNCs (~ 0.0 (vertical) and 0.1 (horizontal adsorption) kJ/mol) exists, whereas BNCs exhibit sufficiently higher Ea compared with h-BN (0.3 and 0.7 kJ/mol). For the studied ‘top’ and ‘bond’ adsorption, changes are more pronounced. The excess reaches 0.4 and 0.9 kJ/mol (‘bond’), as well as 0.8 and 1.0 kJ/mol (‘top’), for graphene and h-BN, respectively. Hydrogen adsorption isotherms show increased hydrogen uptake by BNCs in comparison with their pristine counterparts