© 2023 Имя сайта. Сайт создан на Wix.com

Компьютерное моделирование

Актуальность и цели исследования

    Наносистемы на основе наночастиц металлов можно рассматривать как один из наиболее оптимальных объектов как для фундаментальных, так и для прикладных исследований. Однако чрезвычайно сложные электронное строение таких систем и протекающих с их участием реакций сильно затрудняют исследование. Кроме того, необходимое пространственное и тем более временное разрешение пока не может быть реализовано на современном экспериментальном оборудовании. Поэтому в нашей лаборатории помимо натурных экспериментов, также проводятся численные. Моделирование наночастиц и наносистем выполняется в рамках теории функционала плотности, поскольку из всех возможных методик ТФП наиболее оптимальна для систем, содержащих от 10 до 200 атомов. Таким образом, основная цель наших расчетов заключается в эффективном дополнении экспериментальных данных, что позволяет, сопоставляя результаты экспериментов с аналитической моделью, получать новую информацию об объекте исследования

Результаты

   Компьютерное моделирование адсорбции   водорода на наночастицах золота выполнено на примере взаимодействия атомов водорода с кластерами золота Aun (n=13, 20, 55, 100, 147). Исследование показало, что акты последовательной адсорбции атомов водорода на кластере золота можно считать независимыми, поскольку  возмущение электронной структуры кластера при взаимодействии с атомом водорода сосредоточено только на том атоме золота, который участвует в реакции. В численном эксперименте это было показано с помощью расчета плотностей состояний для атома золота, взаимодействующего с атомом водорода, и соседнего атома золота.

Спроектированные плотности состояний атома золота, взаимодействующего с атомом водорода и соседнего атома золота в кластерах Au13, Au13H1.

Зависимость энергии связи атомов водорода с кластерами золота в наносистемах типа

(а) AunHm (n = 13, m = 1–12)

(б) AunHm (n = 31, m = 1–6)

(в)AunHm (n = 13, m = 1–12) планарный изомер.

      Исследование размерных эффектов в гомогенных кластерах Aun (n = 11–21, 31–37) и гетерогенных кластерах AunHm (n = 13, 31, m = 1–12, 1–6), а также в гетерогенном «плоском» кластере AunHm (n = 13, m = 1–8) показало наличие корреляций особенностей размерных зависимостей физико-химических свойств гетерогенных нанокластеров AunHm с рядом «электронных» магических чисел, соответствующих заполнению электронных оболочек в ядерной модели металлических кластеров, что демонстрирует делокализованный характер состояний, обусловленных диссоциативной
адсорбцией водорода.

При поддержке Минобрнауки РФ № 14.606.21.0001 (RFMEFI60614X0001)

    Моделирование последовательной адсорбции водорода на наночастице золота показало, что взаимодействие с водородом вызывает смещение “центра тяжести” плотности состояний кластера золота от уровня Ферми в сторону отрицательных значений энергии. Это коррелирует с данными по изменению энергии связи Au–H в зависимости от числа атомов золота и водорода, образующих кластер. Энергия связи Au–H уменьшается при увеличении количества находящихся на поверхности кластера атомов водорода, что объясняется увеличением числа координационно-насыщенных атомов золота. Некоторые отклонения от общей тенденции связаны с особенностями электронного строения атома золота. Помимо полностью заполненной d-орбитали, золото имеет внешнюю s-орбиталь, которая дает основной вклад в плотность состояний вблизи уровня Ферми и может «усложнить» резонансную модель хемосорбции. Проведенные квантово-химические расчеты подтвердили экспериментально наблюдаемую  адсорбцию водорода на наночастицах золота размером 4–5 нм
при комнатной температуре.

При поддержке РНФ № 15–13–30034

Изменения плотности состояний и величины энергии связи кластеров золота при последовательной адсорбции атомов водорода.

Кластер Au13C54 - модель наночастицы на подложке графита. Чешуйка графена имитировала воздействие подложки на наночастицу золота через перенос заряда и трансформацию атомной структуры. Влияние подложки на адсорбционные свойства исследовано на примере взаимодействия с атомарным водородом.

         Моделирование влияния подложки графита на наночастицу золота показало, что атомная структура кластера золота Au13 существенно меняется - центральный атом икосаэдрического изомера смещается к поверхности чешуйки графена C54. Распределение электронной плотности в объеме кластера транс-формируется из центрольносимметричного в слоистое. 

Расчеты заряженных свободных кластеров Au13q и Au13H1q, где q=-1, 0, +1, показали, что накопление на кластере положительного заряда ведет к уменьшению величины связи атома водорода с кластером, а накопление отрицательного, напротив, к увеличению.

Изменение атомной структуры икосаэдрического 13-ти атомного изомера кластера золота при взаимодействии с наночешуйкой графена.

       Перераспределение электронной плотности в системе Au13C54, обусловленное разностью химических потенциалов подсистем , ведет к накоплению положительного заряда на кластере золота. При этом трансформация энергетической структуры кластера должна приводить к увеличению химической активности, поскольку "центра тяжести" плотности состояний смещается к уровню Ферми.

Расчет энергий связи атомов водорода с кластерами Au13 и Au13C54 показал, что преобладающим фактором, определяющим адсорбционные свойства кластера, будет трансформация энергетического спектра, а не перенос заряда, поскольку величина энергии связи атома водорода с кластером золота под воздействием подложки увеличилась.

При поддержке РФФИ № 16-33-00011,        15-03-02523, 15-33-20831, 15-03-02126,    14-03-00156, 16-03-00046

Трансформация энергетического и пространственного распределения электронов кластера золота при взаимодействии с наночешуйкой графена и величины энергий связи атомов водорода с кластерами золота в свободном и связанном с наночешуйкой графена состоянии.

This site was designed with the
.com
website builder. Create your website today.
Start Now