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基于密度泛函理论计算的二维材料上氢氧化物的化学吸附:石墨烯与六方氮化硼的对比

Chemisorption of Hydroxide on 2D Materials from DFT Calculations: Graphene versus Hexagonal Boron Nitride.

作者信息

Grosjean Benoit, Pean Clarisse, Siria Alessandro, Bocquet Lydéric, Vuilleumier Rodolphe, Bocquet Marie-Laure

机构信息

École Normale Supérieure-PSL Research University , Département de Chimie, Sorbonne Universités - UPMC Univ Paris 06, CNRS UMR 8640 PASTEUR, 24, rue Lhomond, 75005 Paris, France.

École Normale Supérieure-PSL Research University , Laboratoire de Physique Statistique, UMR 8550, 24, rue Lhomond, 75005 Paris, France.

出版信息

J Phys Chem Lett. 2016 Nov 17;7(22):4695-4700. doi: 10.1021/acs.jpclett.6b02248. Epub 2016 Nov 7.

Abstract

Recent nanofluidic experiments revealed strongly different surface charge measurements for boron-nitride (BN) and graphitic nanotubes when in contact with saline and alkaline water (Nature 2013, 494, 455-458; Phys. Rev. Lett. 2016, 116, 154501). These observations contrast with the similar reactivity of a graphene layer and its BN counterpart, using density functional theory (DFT) framework, for intact and dissociative adsorption of gaseous water molecules. Here we investigate, by DFT in implicit water, single and multiple adsorption of anionic hydroxide on single layers. A differential adsorption strength is found in vacuum for the first ionic adsorption on the two materials-chemisorbed on BN while physisorbed on graphene. The effect of implicit solvation reduces all adsorption values, resulting in a favorable (nonfavorable) adsorption on BN (graphene). We also calculate a pK ≃ 6 for BN in water, in good agreement with experiments. Comparatively, the unfavorable results for graphene in water echo the weaker surface charge measurements but point to an alternative scenario.

摘要

近期的纳米流体实验表明,当氮化硼(BN)和石墨纳米管与盐水和碱性水接触时,其表面电荷测量结果存在显著差异(《自然》,2013年,第494卷,第455 - 458页;《物理评论快报》,2016年,第116卷,第154501页)。这些观察结果与石墨烯层及其氮化硼对应物在完整和离解吸附气态水分子时使用密度泛函理论(DFT)框架得出的相似反应性形成对比。在此,我们通过在隐式水中的DFT研究单层上阴离子氢氧化物的单吸附和多吸附。在真空中,发现两种材料上首次离子吸附的吸附强度存在差异——在BN上化学吸附,而在石墨烯上物理吸附。隐式溶剂化的影响降低了所有吸附值,导致在BN(石墨烯)上出现有利(不利)吸附。我们还计算出BN在水中的pK≃6,与实验结果吻合良好。相比之下,石墨烯在水中的不利结果与较弱的表面电荷测量结果相呼应,但指向了另一种情况。

https://cdn.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/blobs/28c4/5360233/45a3737fe349/emss-71601-f001.jpg

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J Mol Model. 2012 Jan;18(1):137-44. doi: 10.1007/s00894-011-1046-z. Epub 2011 Apr 27.

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