Doped СNTs for Removal and Monitoring of Li, Na, K, Zn, Cd, Hg Chromate Molecular Complexes: a DFT Computational Study

Abstract

Розраховано електронні структури та адсорбційні характеристики молекулярних аніонів CrO42-, молекулярних комплексів MI 2CrO4 (MI  Li, Na, K) та MIICrO4 (MII  Zn, Cd, Hg) на поверхні нелегованого та легованого бором чи азотом фрагмента (5,5) вуглецевої нанотрубки (ВНТ) в наближенні теорії функціоналу електронної густини (ТФГ). Розраховано і проаналізовано між’ядерні відстані в адсорбованих станах, енергії зв'язку та значення електронних зарядів, що переносяться з адсорбентів на вуглецеві нанотрубки. З’ясовано, що матеріали на основі як нелеговані, так і леговані бором або азотом вуглецевих нанотрубок можуть утворювати стійкі конфігурації з молекулярними комплексами MIICrO4 (MII = Zn, Cd,Hg). Леговані бором вуглецеві нанотрубки зв’язуються з комплексами MI2CrO4 (MI = Na, K). Одержані результати вказують на те, що леговані вуглецеві нанотрубки є перспективними матеріалами для видалення відповідних молекулярних сполук хроматів. Ані нелеговані, ні B/N- леговані ВНТ не будуть ефективно адсорбувати молекулярні комплекси Li2CrO4. Розраховані зміни електронних зарядів досліджених сполук хроматів вказують на те, що матеріали на основі нелегованих вуглецевих нанотрубок є перспективними для розробки газових сенсорів комплексів MIICrO4 (MII = Zn, Cd, Hg), однак вони не є перспективними для резистивних сенсорів сполук MI2CrO4 (MI = Li, Na, K).

Electronic structures and adsorption characteristics of CrO42-molecular anions, MI2CrO4 (MI = Li, Na, K) and MIICrO4 (MII = Zn, Cd, Hg) molecular complexes on the surface of undoped, B- and N-doped (5,5) carbon nanotube (CNT) fragment, were studied using density functional theory within molecular cluster approach. Stable adsorption geometries, binding energies and values of electronic charges transferred from the adsorbents to the CNTs were calculated and analyzed. It is found that both undoped and B- or N-doped CNTs form stable adsorption configurations with MIICrO4 (MII = Zn, Cd, Hg) molecular complexes. The Bdoped CNTs bind MI2CrO4 (MI = Na, K) complexes. The results indicate that the doped CNTs can find a potential application in removal of the respective chromate molecular compounds. Neither undoped nor B/Ndoped CNTs would effectively bind Li2CrO4 molecule. The calculated changes in the electronic charges of the bound chromate(IV) indicate that undoped CNT-based materials can potentially serve as gas sensors for MIICrO4 (MII = Zn, Cd, Hg) complexes. However, they are less perspective for resistivity sensing of MI2CrO4 (MI = Li, Na, K) compounds.