Графен, легированный переходными металлами (X = Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn), как газовый сенсор для обнаружения CO₂ и NO₂: молекулярное моделирование в рамках теории функционала плотности

Контекст: В этой работе адсорбцию CO и NO на листах нанографена (NG), легированных переходными металлами (Fe, Ni, Zn) и (Mn, Co, Cu) соответственно, исследовали как способ улавливания этих токсичных загрязнителей окружающей среды. Изменения плотности атомного заряда указывают на более выраженный перенос заряда при адсорбции CO на нанографене, легированном Ni, и при адсорбции NO на нанографене, легированном Co. Данные ЯМР-спектроскопии показали несколько флуктуаций на графике для поверхности нанографена, легированного Zn. Термодинамические результаты, полученные с помощью ИК-спектроскопии, свидетельствуют, что значения [формула: см. текст] почти одинаковы для листов C-NG, легированных Mn, Co и Cu, тогда как [формула: см. текст] характеризуется наибольшим разрывом между свободной энергией Гиббса адсорбции и дипольным моментом.2222

Методы: Для комплексов CO→(Fe, Ni, Zn) и NO→(Mn, Co, Cu) на C-NG применили модель адсорбции Ленгмюра и трёхслойный ONIOM с функционалом CAM-B3LYP и базисными наборами LANL2DZ, EPR-III и 6-31 + G (d,p) в программе Gaussian 16, версия C.01. Затем провели анализ данных ЯМР- и ИК-спектроскопии, ядерного квадрупольного резонанса и естественных связывающих орбиталей, чтобы оценить тензоры химического экранирования, термодинамические свойства, электрический потенциал и флуктуации заселённости связывающих орбиталей соответственно. Кроме того, рассчитали граничные орбитали LUMO и HOMO, а также ряд параметров химической реакционной способности. Наконец, с помощью метода теории функционала плотности, зависящей от времени, рассчитали спектры УФ-видимого диапазона, чтобы определить низколежащие возбуждённые состояния при адсорбции CO и NO на листах C-NG, легированных (Fe, Ni, Zn) и (Mn, Co, Cu) соответственно.2222