Экспериментальные и молекулярно-динамические исследования процессов сорбции н-бутанола и бутилацетата на поверхности SiO2

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Настоящая работа посвящена экспериментальному и молекулярно-динамическому изучению сорбционных процессов н-бутанола и бутилацетата на поверхности SiO2. Экспериментальные измерения процессов адсорбции/десорбции н-бутанола и бутилацетата на поверхности SiO2 включают в себя данные термокинетической спектрометрии, а моделирование методом компьютерной молекулярной динамики (МД) включало в себя температурные, энергетические и структурные характеристики процессов адсорбции н-бутанола и бутилацетата на поверхности SiO2. По данным МД-моделирования тройной системы “поверхность (SiO2) – несущий газ (Ar) – молекула-мишень (н-бутанол и бутилацетат)” построены и проанализированы профили функции радиального распределения (ФРР) при трех значениях температуры системы Т = 300, 500 и 700 К. Из анализа графиков ФРР н-бутанола и бутилацетата видно, что замещение –OH-группы на ацетатную влияет на конфигурацию атомов C1(Q= –3) и O1(Q= –2) углеродного “скелета” (C1(Q= –3)–C2(Q= –2)–C3(Q= –2)–C4(Q= –1)–O1(Q= –2)) на поверхности SiO2. Более того, сравнительный анализ результатов позволяет предположить, что добавление ацетатной группы увеличивает энергию активации адсорбции молекулы бутилацетата к поверхности SiO2 при повышенных температурах (700 K) по сравнению с н-бутанолом. Экспериментальные данные о процессах десорбции н-бутанола и бутилацетата с поверхности SiO2 в тройной системе н-бутанол/SiO2/аргон дают значение энергии активации десорбции 78.83 кДж/моль, а значение предэкспоненциального множителя – 4.41×107 с–1. Для системы “бутилацетат/SiO2/аргон” значение энергии активации десорбции составило 87.58 кДж/моль, значение предэкспоненциального множителя – 1.81×1010 с–1. Значения энергий активации десорбции подтверждают гипотезу об увеличении энергии активации адсорбции при замещении –OH-группы в н-бутаноле на ацетатную группу в бутилацетате.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Х. Т. Холмуродов

Государственный университет “Дубна”; ОИЯИ; Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: mirzo@jinr.ru

ОИЯИ, Лаборатория нейтронной физики им. И. М. Франка; Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Физический факультет

Россия, 141980, Дубна, Московская обл.; 141980, Дубна, Московская обл.; 119991, Москва

И. О. Симоненко

Государственный университет “Дубна”

Email: mirzo@jinr.ru
Россия, 141980, Дубна, Московская обл.

П. П. Гладышев

Государственный университет “Дубна”

Email: mirzo@jinr.ru
Россия, 141980, Дубна, Московская обл.

М. Ю. Яблоков

Государственный университет “Дубна”; Институт синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова РАН

Email: mirzo@jinr.ru
Россия, 141980, Дубна, Московская обл.; 117393, Москва

Список литературы

  1. Капустин Д.В., Простякова А.И., Зыбин Д.И., Зубов В.П. // Российские нанотехнологии. 2021. Т. 16. № 1. С. 23.
  2. Оленинa А.Ю., Лисичкин Г.В. // Журн. общ. химии. 2019. Т. 89. № 7. С. 1101.
  3. Пахнутова Е.А., Фаустова Ж.В., Слижов Ю.Г. // Журн. физ. химии. 2018. Т. 92. № 1. С. 135.
  4. Kudryavtsev P.G. // Nanotechnologies in construction. 2020. V. 12(5). P. 256.
  5. Rykowska I., Wasiak W. // Z. Chemia Analityczna. 2003. V. 48. № 3. P. 495.
  6. Гладышев Д.П., Гладышев П.П., Гущин А.П. / Сб. трудов кафедры химии, геохимии и космохимии. Часть 1. Дубна: Международный университет природы, общества и человека “Дубна”. 2009.
  7. Гладышев П.П., Зуев Б.К., Моржухина С.В. / Теоретические предпосылки термокинетической спектроскопии. Тр. кафедры химии, новых технологий и материалов: выпуск 1 / под общ. ред. П.П. Гладышева. 2014. № 1. С. 78.
  8. Холмуродов Х.Т., Пузынин И.В., Дарден Т. // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2003. Т. 34. № 2. С. 474.
  9. Bushuev Y.G., Sastre G. // Microporous and Mesoporous Materials. 2010. V. 129(1–2). P. 42.
  10. Cygan R.T., Liang J.-J., Kalinichev A.G. // J. Phys. Chem. B. 2004. V. 108(4). P. 1255.
  11. Shropshire J., Keat P.P., Vanghan P.A. // Z. Kristallogr. 1959. V. 112. P. 409.
  12. Brooks B.R., Bruccoleri R.E., Olafson B.D., et al. // J. of Computational Chemistry. 1983. https://doi.org/10.1002/jcc.540040211.
  13. Case D.A., Cheatham T.E., Darden T., et al. // Ibid. 2005. V. 26(16). P. 1668.
  14. Smith W., Forester T.R. // J. Mol. Graph. 1996. V. 14. P. 136.
  15. Kholmirzo Kholmurodov (Ed.), “Models in Bioscience and Materials Research: Molecular Dynamics and Related Techniques”, Nova Science Publishers Ltd., 2013. 219 p., ISBN: 978-1-62808-052-0.
  16. Kholmirzo Kholmurodov (Ed.), “Computational Materials and Biological Sceinces”, Nova Science Publishers Ltd., 2015. 208 p., ISBN: 978-1-63482-541-2.
  17. Kholmirzo T. Kholmurodov (Ed). “Computer Design for New Drugs and Materials. Moleсular Dynamics of Nanoscale Phenomena”, (Leading Scientist, Frank Laboratory of Neutron Physics, Joint Institute of Nuclear Research, Dubna, Moscow Region, Russia), ISBN: 978-1-53612-082-0, Nova Science Publishers, New York (2017), 231 p.
  18. Humphrey W., Dalke A. and Schulten K. // J. Molec. Graphics. 1996. V. 14. P. 33.
  19. Snow N.H. // Trends Analytical Chemistry. 2001. V. 21. № 9. P. 608.
  20. Rykowska I., Wasiak W. // Analytica Chimica Acta. 2002. V. 451. № 2. P. 271.
  21. Ristova M. // J. of Molecular Structure. 2009. P. 93.
  22. Лисичкин Г.В. Химия привитых поверхностных соединений. М.: Физматлит, 2003. 592 с.
  23. van Beest B.W.H., Kramer G.J., van Santen R.A. // Phys. Rev. Lett. 1990. V. 64. P. 1955.
  24. Hill J.-R., Sauer J.J. // Phys. Chem. 1995. V. 99. P. 9536.
  25. Corma A., Puche M., Rey F., et al. // Angew. Chem. Int. Ed. 2003. V. 42, P. 1156.
  26. Модифицированные кремнеземы в сорбции, катализе, хроматографии. / Под ред. Г.В. Лисичкина. М.: Химия, 1986. 248 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Структурная формула молекулы н-бутанола и обозначения для атомов углерода (C1–C4, бирюзовые шары) и кислорода (O1, красный шар). Серые шары – атомы водорода H.

Скачать (132KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Структурная формула молекулы бутилацетата и обозначения для атомов углерода (C1–C6, бирюзовые шары) и кислорода (O1–O2, красные шары). Серые шары – атомы водорода H.

Скачать (116KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Внешний вид ТК-спектрометра: 1 – cтолик подъёмный, 2 – подвод отфильтрованного воздуха из компрессора в разбавитель, 3 – огнестойкие плиты из силиката кальция, 4 – фильтр топливный “MAHLE KNECHT KL13”, 5 – Компрессор воздушный “SONIC Silent Powerful 008”, 6 – фотоионизационный детектор “КОЛИОН-1B”, 7 – соединение пиролитической ячейки (8) и регулятора температуры “Термодат-16Е3” (13), 8 – пиролитическая ячейка, 9 – подвод аргона, 10 – расходомеры “Cole-Parmer”, 11 – подвод продуктов в фотоионизационный детектор “КОЛИОН-1B” (6), 12–1-портовый преобразователь UPort “UPort 1150”, 13 – регулятор температуры “Термодат”.

Скачать (451KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Термокинетические спектры процессов десорбции н-бутанола с поверхности SiO2 при скорости нагрева 40 (а) и 50 К/мин (б).

Скачать (282KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Термокинетические спектры процессов десорбции бутилацетата с поверхности SiO2 при скорости нагрева 40 (а) и 50 К/мин (б).

Скачать (282KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Конфигурация поверхности SiO2 (а – вид сверху; б – вид сбоку); атомы поверхности SiO2 (Si – жёлтый; O – красный).

Скачать (616KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Исходные конфигурации модели тройной системы (н-бутанол, бутилацетат) / SiO2 / аргон для последующих молекулярно-динамических уравновешиваний (релаксаций) и определения равновесных состояний системы (а – вид сверху, б – вид сбоку).

Скачать (1MB)
Метаданные
9. Рис. 8. Результирующие конфигурации модели тройной системы н-бутанол / SiO2 / аргон молекулярно-динамических уравновешиваний (релаксаций) равновесных состояний системы (последовательные картинки-скриншоты в интервале от 1 до 5 нс; а–в: слева направо).

Скачать (1MB)
Метаданные
10. Рис. 9. Энергетические и температурные профили релаксации системы н-бутанол/SiO2/аргон при T = 300 K: полная энергия Etot (1), температура Ttot (2), полная конфигурационная энергия Ecfg (3), энергия ван-дер-ваальсового взаимодействия Evdw (4), энергия кулоновского взаимодействия Ecou (5).

Скачать (123KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Энергетические профили релаксации системы н-бутанол/SiO2/аргон при T = 300 K: полная энергия Etot (1), полная конфигурационная энергия Ecfg (2).

Скачать (66KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Профили изменения полной конфигурационной энергии Ecfg системы н-бутанол/SiO2/аргон при T = 300 K: 1-й расчет (1), 2-й расчет (2), 3-й расчёт (3).

Скачать (101KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Энергетические профили изменения полной конфигурационной энергии Ecfg систем н-бутанол/SiO2/аргон при T = 300 K (1), 500 K (2), 700 K (3) и бутилацетат/SiO2/аргон при T = 300 K (4), 500 K (5), 700 K (6).

Скачать (336KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Графики g(r) [Si+4-C1–3] функции радиального распределения при T = 300 K (1), 500 K (2), 700 K (3) для систем н-бутанол/SiO2/аргон (а) и бутилацетат/SiO2/аргон (б).

Скачать (230KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Графики g(r) [Si+4-O1–2] функции радиального распределения при T = 300 (1), 500 (2), 700 K (3) для систем н-бутанол/SiO2/аргон (а) и бутилацетат/SiO2/аргон (б).

Скачать (213KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024