Nghiên cứu hiện tượng hấp phụ phân tử khí trên biên dãy nano penta-graphene dạng răng cưa pha tạp nitrogen

Nguyễn Thành Tiên * , Nguyễn Thị Pha , Võ Văn Ớn và Lê Võ Phương Thuận

* Tác giả liên hệ (nttien@ctu.edu.vn)

Article Sidebar

Full Text: PDF

Ngày nhận bài: 03-03-2020
Ngày nhận bài sửa: 21-04-2020
Ngày duyệt đăng: 29-06-2020
Ngày xuất bản: 29-06-2020
Title: Adsorption of gas molecules on the edge of sawtooth penta-graphene nanoribbons doping with nitrogen
DOI: 10.22144/ctu.jvn.2020.050
Lượt xem
87
Downloads
80
Crossref
Scopus
Google Scholar
Europe PMC
Trích dẫn
Tiên, N. T., Pha, N. T., Ớn, V. V., & Thuận, L. V. P. (2020). Nghiên cứu hiện tượng hấp phụ phân tử khí trên biên dãy nano penta-graphene dạng răng cưa pha tạp nitrogen. Tạp chí Khoa học Đại học Cần Thơ, 56(3), 29-37. https://doi.org/10.22144/ctu.jvn.2020.050
Số báo
Tập. 56 Số. 3 (2020)
Chuyên mục
Tự nhiên

Abstract

Penta-graphene nanoribbons (PGNRs), an one-dimensional (1D) narrow strip of penta-graphene (PG) hold great potential for applications in sensors. In this paper, the adsorption behaviors of CO, CO2 and NH3 on the edge of the N-doped Sawtooth Penta-Graphene Nanoribbons (N:SSPGNRs) are investigated by calculating the adsorption energy, charge transfer, adsorption distance, electron density difference, density of states, and partial density of states  from first principles method. It was found that the adsorption of CO and CO2 on N:SSPGNR edge shows chemical adsorption, meanwhile the adsorption of NH3 shows physical adsorption. Our results are proposed to predict and understand the CO, CO2 and NH3 adsorpted behaviors on N:SSPGNR edge. This is to guide experimental physicists to apply N:SSPGNRs for gas sensor development.
Keywords: Adsorption, doping, first principles, gas sensor, penta-graphene nanoribbon

Tóm tắt

Dãy nano penta-graphene (PGNRs),  một dãy penta-graphene một chiều (1D) có khả năng ứng dụng trong thiết bị cảm biến. Trong bài báo này, đặc tính hấp phụ của CO, CO2, NH3 trên biên N:SSPGNR được nghiên cứu bằng cách tính toán năng lượng hấp phụ, sự truyền điện tích, khoảng cách hấp phụ, sự sai khác mật độ điện tử, mật độ trạng thái và mật độ trạng thái riêng bởi phương pháp nguyên lý ban đầu. Chúng tôi thấy rằng sự hấp phụ phân tử khí CO và CO2 trên biên N:SSPGNR thể hiện đặc tính hấp phụ hóa học, trong khi đó N:SSPGNR hấp phụ NH3 trên biên thể hiện đặc tính hấp phụ vật lý. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi đưa ra để dự đoán và hiểu đặc tính hấp phụ của CO, CO2, NH3 trên N:SSPGNR. Từ đó, giúp các nhà thực nghiệm nghiên cứu phát triển PGNRs ứng dụng cho cảm biến khí thế hệ mới.
Từ khóa: Hấp phụ, pha tạp, nguyên lý ban đầu, cảm biến khí, dãy nano penta-graphene

Article Details

Tài liệu tham khảo

Berdiyorov G. R., Abdullah H., Ezzi M. Al., Rakhmatullaeva G. V., Bahlouli H., and Tit N., 2016. CO2adsorption on Fe-doped graphene nanoribbons: First principles electronic transport calculations. AipAdvances, 6(12): 125102.

Cheng M. Q., Chen Q., Yang K., Huang W. Q., Hu W. Y.and Huang G. F., 2019. Penta-Graphene as a Potential Gas Sensor for NOx Detection. Nanoscale research letters, 14(1): 306.

Dai J., Yuan J., andGiannozziP., 2009. Gas adsorption on graphene doped with B, N, Al, and S: A theoretical study. Applied Physics Letters, 95(23): 232105.

Huang B., Li Z., Liu Z., Zhou G., Hao S., Wu J., and DuanW., 2008. Adsorption of gas molecules on graphene nanoribbons and its implication for nanoscale molecule sensor. The Journal of Physical Chemistry C, 112(35): 13442-13446.

Liu Y. and Wilcox J., 2011. CO2adsorption on carbon models of organic constituents of gas shale and coal. Environmental science & technology, 45(2): 809-814.

Lin X., Ni J. and Fang C., 2013. Adsorption capacity of H2O, NH3, CO, and NO2on the pristine graphene. Journal of Applied Physics, 113(3): 034306.

Mi T. Y., TrietD. M, and Tien N. T, 2020. Adsorption of gas molecules on penta-graphene nanoribbon and its implication for nanoscale gas sensor, Physics Open 2: 100014

Montejo-Alvaro F., Oliva J., Herrera-Trejo M., Hdz-García H. M., andMtz-Enriquez A. I., 2019. DFT study of small gas molecules adsorbed on undoped and N-, Si-, B-, and Al-doped graphene quantum dots. Theoretical Chemistry Accounts, 138(3): 37.

MullikenR. S., 1955. Electronic population analysis on LCAO–MO molecular wave functions. I. The Journal of Chemical Physics, 23(10): 1833-1840.

Padilla V. E. C., de la Cruz M. T. R., Alvarado Y. E., Díaz R. G., García C. E. R., and CocoletziG. H., 2019. Studies of hydrogen sulfide and ammonia adsorption on P-and Si-doped graphene: density functional theory calculations. Journal of molecular modeling, 25(4): 94.

PerdewJ. P., Burke K., and ErnzerhofM., 1996. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett. 77: 3865–3868.

PouraslA. H., Ahmadi M. T., Ismail R., and GharaeiN., 2017. Gas adsorption effect on the graphene nanoribbon band structure and quantum capacitance. Adsorption, 23(6): 767-777.

PouraslA. H., Ahmadi M. T., Ismail R., and GharaeiN., 2018. Analytical modelling and simulation of gas adsorption effects on graphene nanoribbon electrical properties. Molecular Simulation, 44(7): 551-557.

PyykkP., and AtsumiM., 2009. Molecular single-bond covalent radii for elements 1-118, Chem. Eur. J, 15: 186197.

Qin H., Feng C., Luan X. and Yang D., 2018. First-principles investigation of adsorption behaviors of small molecules on penta-graphene. Nanoscale research letters, 13(1): 1-7.

Taylor J., Guo H., and Wang J., 2001. Ab initio modeling of quantum transport properties of molecular electronic devices, Phys. Rev. B 63(24): 245407.

Tien N. T., Thao P. T. B, PhucV. T., and Ahuja R., 2019. Electronic and transport features of sawtooth penta-graphene nanoribbons via substitutional doping. PhysicaE: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 114: 113572.

XieZ., ZuoX., Zhang G. P., Li Z. L., and Wang C. K., 2016. Detecting CO, NO and NO2gases by Boron-doped graphene nanoribbon molecular devices. Chemical Physics Letters, 657: 18-25.

Yu Z. G,.and Zhang Y. W., 2015. A comparative density functional study on electricalpropertiesof layered penta-graphene. Journal of Applied Physics. 118: 165706–165712.

Zhang Y. H., Chen Y. B., Zhou K. G., Liu C. H., Zeng J., Zhang H. L., and Peng Y., 2009. Improving gas sensing properties of graphene by introducing dopants and defects: a first-principles study. Nanotechnology, 20(18): 185504.

Zhang S., Zhou J., Wang Q., Chen X., Kawazoe Y., and Jena P., 2015. Penta-graphene: A new carbon allotrope. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112( 8): 2372–2377.

Zhang C. P., Li B., and Shao Z. G., 2019. First-principle investigation of CO and CO2adsorption on Fe-doped penta-graphene. Applied Surface Science, 469: 641-646.