Adsorpcia organických molekúl na povrchu hexagonálneho boron­-nitridu

Katarína SKLADANOVÁ

Bachelor's thesis

Adsorption of organic molecules on the surface of hexagonal boron-nitride

Abstract:

Táto bakalárska práca sa zaoberá štúdiom adsorpcie vybraných malých organických molekúl na povrchu ideálnej monovrstvy hexagonálneho nitridu boritého (hBN). Adsorpciu trojice nepolárnych molekúl (benzénu, cyklohexánu a 1,4­dioxanu) a súboru polárnych molekúl (acetonitrilu, acetónu, etylacetátu a nitrometánu) simuluje výpočtovým programom Vienna Ab-initio Simulation Package, využívajúcim princípov teórie funkcionálu hustoty. Získané adsorpčné energie a rovnovážne vzdialenosti molekúl od povrchu hBN porovnáva s grafénom a s dostupnými experimentálnymi dátami. Jej prínos plynie tiež z doplnenia nedostatku teoretických informácii o difúzii vybraných molekúl po povrchu hBN a grafénu. Za týmto účelom je v práci počítaná výška energetických bariér, spojená s ich difúznym pohybom. Vo všeobecnosti sa študované molekuly adsorbovali silnejšie na grafén, než na hBN. Poradie molekúl podľa klesajúcej adsorpčnej energie bolo však pre oba materiály totožné, najsilnejšie sa adsorboval etylacetát a najslabšie acetonitril. Interakcia mala nekovalentný charakter, čo dokumentovali malé adsorpčné energie a rovnovážne vzdialenosti, neodpovedajúce hodnotám typickým pre kovalentnú väzbu. Snaha molekúl zachovať paralelnú orientáciu voči povrchu oboch materiálov naznačovala prevažne disperzný charakter interakcie. Mierny náklon vybraných polárnych molekúl však upozornil na čiastočný vplyv elektrostatických interakcií. Ten sa odzrkadlil aj v nenulovej výške energetických bariér. Energetické bariéry boli nižšie na povrchu hBN, než na graféne a ani u jednej zo študovaných molekúl nepresiahli 1 kcal/mol. Na hBN klesala výška energetickej bariéry počnúc benzénom po acetonitril. Na graféne bolo poradie molekúl podľa klesajúcej výšky bariér odlišné a najvyššej bariéry bolo dosiahnutej u molekuly cyklohexánu.

Abstract:

This bachelor thesis deals with the study of the adsorption of selected small organic molecules on the surface of an ideal monolayer of hexagonal boron nitride (hBN). The adsorption of a set of non-polar molecules (benzene, cyclohexane and 1,4-dioxane) and small polar molecules (acetonitrile, acetone, ethyl acetate and nitromethane) is simulated by the Vienna Ab-initio Simulation Package, which uses the principles of the density functional theory. The obtained adsorption energies and equilibrium distances of the molecules are compared with graphene and available experimental data. This work also helps to solve a lack of theoretical information on the diffusion of selected molecules on the surface of hBN and graphene. For this purpose, the height of energy barriers associated with the diffusive motion of these molecules is calculated. In general, the studied molecules adsorbed more strongly on graphene than on hBN. However, the order of molecules according to decreasing adsorption energy was identical for both materials, with the ethyl acetate as the most strongly and acetonitrile as the most weakly adsorbed molecule. The interaction was non-covalent, as documented by the small adsorption energies and equilibrium distances of the individual molecules, which did not correspond to the values typical for covalent bond. The effort of the molecules to maintain a parallel orientation to the surface of both materials indicated a predominantly dispersive nature of the interaction. However, the slight inclination of selected polar molecules pointed to a partial effect of electrostatic interaction. This was also reflected in the non-zero height of energy barriers. The energy barriers were lower on the surface of hBN than on graphene and did not exceed 1 kcal/mol for any of the studied molecules. On hBN, the height of the energy barrier decreased in the order from benzene to acetonitrile. On graphene, the order of molecules was different, and the highest barrier was obtained for cyclohexane.

Keywords

Funkcionalizácia hexagonálneho nitridu boritého, funkcionalizácia grafénu, adsorpcia, difúzia, benzén, cyklohexán, 1, 4-dioxan, acetonitril, acetón, etylacetát, nitrometán, teória funkcionálu hustoty

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 7. 2020

Thesis defence

• Supervisor: Mgr. Petr Lazar, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Chemistry / Nanomaterial Chemistry