Исследование процессов взаимодействия графена, модифицированного бором, с атомами щелочных металлов

Цель - изучение механизмов адсорбции атомов Li, Na и K на бороуглеродных нанослоях BC, BC₃ и BC₅ с периодическим замещением углерода бором и оценка влияния концентрации бора на энергетические и электронные характеристики, определяющие сенсорный отклик.

Методы. Расчёты выполнены в рамках теории функционала плотности с использованием гибридного функционала B3LYP и базиса 6-31G для кластерных моделей нанослоёв. Разорванные связи на границе кластера компенсировали атомами водорода для минимизации влияния краевых эффектов. Адсорбцию моделировали пошаговым сближением атомов щелочных металлов к трём ключевым центрам поверхности (центр гексагона, над атомом C, над атомом B) с шагом 0,2 Å в диапазоне 3,2 Å до равновесных расстояний. По рассчитанным значениям потенциальной энергии строили энергетические профили, определяли равновесные расстояния и энергии взаимодействия.

Результаты. Для всех систем получены устойчивые адсорбционные комплексы: равновесные конфигурации соответствуют отрицательным энергиям взаимодействия, а энергетически предпочтительным адсорбционным центром является центр гексагона. Энергия взаимодействия достигает максимальных по модулю значений для нанослоя BC ₅ (до −3,04 эВ для Li, −2,44 эВ для Na и −2,71 эВ для K). Перенос заряда носит выраженно донорный характер: атомы металлов приобретают положительный заряд (+0,40…+0,86 e), тогда как атомы бора на поверхности могут аккумулировать отрицательный заряд (до −0,86 e); в спектрах плотности электронных состояний фиксируется появление дополнительных состояний вблизи дна зоны проводимости и смещение уровня Ферми. Максимальная ширина запрещённой зоны характерна для структуры BC ₃ (1,25–1,40 эВ). 

Заключение. Все бороуглеродные нанослои демонстрируют энергетически выгодную адсорбцию щелочных металлов. Изменение концентрации бора позволяет управлять энергией взаимодействия и электронными характеристиками, что важно для задач сенсорного и сорбционного характера.

1. Rapid, repetitive and selective NO₂ gas sensor based on boron-doped activated carbon fibers / D.-W. Kim, S. Ha, Y. Ko, J.-H. Wee, H.-J. Kim, S.Y. Jeong [et al.] // Applied Surface Science. 2020. Vol. 531. Art. 147395. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147395.

2. Selective NO₂ gas sensors employing Nitrogen- and Boron-doped and Co-doped reduced graphene oxide / C. Walleni, S.B. Malik, G. Missaoui, M.A. Alouani, M.F. Nsib, E. Llobet // ACS Omega. 2024. Vol. 9, no. 11. P. 13028–13040. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c09460.

3. Phosphorous- and Boron-doped graphene-based nanomaterials for energy-related applications / M.K. Ubhi, M. Kaur, J.K. Grewal, V.K. Sharma // Materials. 2023. Vol. 16, no. 3. Art. 1155. https://doi.org/10.3390/ma16031155.

4. Graphene-like Boron carbide monolayer as an electronic and work function-type sensor for dopamine drug / W. Ding, X. Zhang, Y.L. Wu, L. Wu // Journal of Molecular Graphics and Modelling. 2020. Vol. 99. Art. 107644. https://doi.org/10.1016/j.jmgm.2020.107644.

5. Synthesis of CaFe₂O₄-NGO nanocomposite for effective removal of heavy metal ion and photocatalytic degradation of organic pollutants / M. Kaur, M. Kaur, D. Singh, A.C. Oliveira, V.K. Garg, V.K. Sharma // Nanomaterials. 2021. Vol. 11. Art. 1471. https://doi.org/10.3390/nano11061471

6. Carbon quantum dot-titanium doped strontium ferrite nanocomposite: Visible light active photocatalyst to degrade nitroaromatics / J.K. Grewal, M. Kaur, K. Mondal, V.K. Sharma // Catalysts. 2022. Vol. 12. Art. 1126. https://doi.org/10.3390/catal12101126.

7. Boron-doped graphene synthesis by pulsed laser co-deposition of Carbon and Boron / Y. Bleu, F. Bourquard, T. Tite, A.-S. Loir, C. Maddi, C. Donnet [et al.] // Applied Surface Science. 2020. Vol. 513. Art. 145843. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.145843

8. Density functional theory analysis of the impact of boron concentration and surface oxidation in Boron-doped graphene for sodium and Aluminum storage / M.S. Ritopečki, N.V. Skorodumova, A.S. Dobrota, I.A. Pašti // С - Journal of Carbon Research. 2023. Vol. 9, no. 4. Art. 92. https://doi.org/10.3390/c9040092.

9. Gharehzadeh S.S., Nasrollahpour M., Vafaee M. Investigation of Boron-doped graphdiyne as a promising anode material for sodium-ion batteries: A computational study // ACS Omega. 2020. Vol. 5. P. 10034-10041. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c00422.

10. Alkali metal decorated ВС₃ monolayer as sensing material for warfare agents / S. Munsif, K. Ayub, M. Nur-e-Alam, D. Nerukh, Z. Ul-Haq // Computational and Theoretical Chemistry. 2024. Vol. 1234. Art. 114531. https://doi.org/10.1016/j.comptc.2024.114531.

11. Optimization of the properties of functionalized ВС₃ monolayer for superior electrode of solid-state sodium-ion batteries / K. Vudumula, A.K. Yadav, G.K. Maurya, R. Singh, K.S. Nikhil, S.K. Pandey // Advanced Theory and Simulations. 2025. Vol. 8. Art. e00782. https://doi.org/10.1002/adts.202500782.

12. Поверхностно-модифицированные нитрогруппой бороуглеродные BC5 нанотрубки как элемент сенсорного устройства: теоретические исследования / И.В. Запороцкова, Е.С. Дрючков, М.Ф. Чешева, Д.А. Звонарева // НБИ Технологии. 2021. Т. 15, № 3. С. 27-34. https://doi.org/10.15688/NBIT.jvolsu.2021.3.5.

13. Halide-free synthesis of metastable graphitic ВС₃ / D. McGlamery, C. McDaniel, D.M. Ladd, Y. Ha, M.A. Mosquera, M.T. Mock [et al.] // Chemical Science. 2024. Vol. 15, no. 12. P. 4358-4363. https://doi.org/10.1039/D3SC06837D.

14. First-principles study of ВС₃ monolayer as anodes for Lithium-ion and Sodium-ion batteries applications / K. Belasfar, M. Houmad, M. Boujnah, A. Benyoussef, A. El Kenz // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2020. Vol. 139. Art. 109319. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2019.109319.

15. Nanoengineering of Boron-based materials for Lithium batteries: advances, challenges, and prospects / J. Huang, M. Tabish, S. Ajmal, A. Kumar, J. Guo, M.M. Alam [et al.] // Small Methods. 2025. Vol. 9, no. 8. Art. 2500208. https://doi.org/10.1002/smtd.202500208.

16. Novel two-dimensional B2C3 monolayer as a high theoretical capacity anode material for Li or Na ion batteries / X. Zhu, K. Wu, B. Ma, X. Wang, D. Kong, Y. Wang [et al.] // Scientific Reports. 2025. Vol. 15. Art. 15902. https://doi.org/10.1038/s41598-025-00754-4.

17. Versatile defect-laden boronizing hard carbon for superior sodium-ion battery efficacy / J. Wen, C. Liu, M. Jing, D. Li, H. Hu, H. Liu // Chemical Engineering Journal. 2025. Vol. 520. Art. 166436. https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.166436.

18. DFT and AIMD evaluation of Boron-doped biphenylene as an anode material in Lithium- and Sodium-ion batteries / M. Fardi, M. Hosseini, M. Nasrollahpour, M. Vafaee // Advanced Materials Interfaces. 2024. Vol. 11, no. 35. Art. 2400522. https://doi.org/10.1002/admi.202400522.

19. Nitrogen and Boron doped Carbon layer coated multiwall carbon nanotubes as high performance anode materials for lithium ion batteries / B. Liu, X. Sun, Z. Liao, X. Lu, L. Zhang [et al.] // Scientific Reports. 2021. Vol. 11, no. 1. Art. 5633. https://doi.org/10.1038/s41598-021-85187-5.

20. Feng J., Rong J. Metallic B₂C monolayer as a promising anode material for Li/Na ion storage // Chemical Engineering Journal. 2021. Vol. 406. Art. 126812. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126812.

21. Thomas S., Ajith K.M., Asle Zaeem M. Stone–wales defect induced performance improvement of ВС₃ monolayer for high capacity Lithium-ion rechargeable battery anode applications // Journal of Physical Chemistry C. 2020. Vol. 124, no. 11. P. 5910-5919. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b11441.

22. Unveiling adsorption characteristics of ВС₅ monolayer: high electronic anisotropy and gas sensing performance / N. Yang, G. Liu, T. Chen, X. Dong, Y. Li, Z. Xu // Applied Surface Science. 2023. Vol. 615. Art. 156226. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.156226.

23. Excitonic effects in the optoelectronic properties of graphene-like BC monolayer / P. Mishra, D. Singh, Y. Sonvane, R. Ahuja // Optical Materials. 2020. Vol. 110. Art. 110476. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.110476.

24. Mechanism of adsorption of chlorine atoms on ВС₃ Boron–Carbon nanotubes of types A and B / S.V. Boroznin, I.V. Zaporotskova, N.P. Boroznina, E.S. Dryuchkov // Inorganic Materials: Applied Research. 2023. Vol. 14. P. 1020-1023. https://doi.org/10.1134/S2075113323040081.