О возможности использования углеродных нанотрубок с примесными атомами бора в качестве фильтров для нужд экологии

Цель исследования. Целью данной работы является проведение модельного эксперимента по изучению возможности внешней адсорбционной способности углеродных нанотрубок, содержащих примесные атомы бора в отношении фтора и хлора с применением современных квантово-химических методов расчета, а именно теории функционала плотности.

Методы. С целью уточнения механизмов адсорбции газовых атомов на поверхность бороуглеродных нанотрубок и зависимости данных процессов от концентрации примесных атомов бора были использованы результаты модельных экспериментов, проведенных с применением теории функционала плотности.

Результаты. При увеличении концентрации примесных атомов бора наблюдаются положительные эффекты, обусловленные большей электрической неоднородностью рассматриваемой структуры. Во-первых, при росте концентрации происходит исчезновение потенциального барьера, что делает реализацию адсорбции более вероятной. При этом именно при локализации адсорбционных центров для атома хлора вблизи бора (над центром связи) или непосредственно над В энергия адсорбции принимает максимальные значения, что позволяет сделать вывод об образовании стабильного комплекса, то есть гетероструктура, основанная на равновесной концентрации бора и углерода, является весьма вероятным адсорбентом хлора. Как и в случае с атомарным хлором, наиболее вероятными адсорбционными центрами при присоединении атомарного фтора выступает либо сам атом бора, либо центр связи между бором и углеродом.

Заключение. Модельные эксперименты позволили сделать вывод о том, что введение примесных атомов бора в углеродные нанотрубки делает их перспективным материалом для решения одной из ключевых проблем современного общества – защиты окружающей среды и здоровья человека от вредных газов.

1. Review of fluoride removal from water environment by adsorption / J. He, Y. Yang, Z. Wu, C. Xie, K. Zhang, L. Kong, J. Liu // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2020. Vol. 8, nо. 6. P. 104516. https://doi:10.1016/j.jece.2020.104516

2. George S., Pandit P., Gupta A. B. Residual aluminium in water defluoridated using activated alumina adsorption – modeling and simulation studies // Water Res. 2010. Vol. 44, nо. 10. P. 3055–3064. https://doi:10.1016/j.watres.2010.02.028

3. Tripathy S. S., Raichur A. M. Abatement of fluoride from water using manganese dioxide-coated activated alumina // J. Hazard. Mater. 2008. Vol. 153, nо. 3. P. 1043–1051. https://doi:10.1016/j.jhazmat.2007.09.100

4. Chauhan V. S., Dwivedi P. K., Iyengar L. Investigations on activated alumina based domestic defluoridation units // J. Hazard. Mater. 2007. Vol. 139, nо. 1. P. 103–107. https://doi:10.1016/j.jhazmat.2006.06.014

5. Breakthrough analysis for water defluoridation using surface-tailored zeolite in a fixed bed column / M. S. Onyango, T. Y. Leswifi, A. Ochieng, D. Kuchar, F. O. Otieno, H. Matsuda // Ind. Eng. Chem. Res. 2009. Vol. 48, nо. 2. P. 931–937. https://doi:10.1021/ie0715963

6. Adsorption equilibrium modeling and solution chemistry dependence of fluoride removal from water by trivalent-cation-exchanged zeolite F-9 / M. S. Onyango, Y. Kojima, O. Aoyi, E. C. Bernardo, H. Matsuda // J. Colloid Interf. Sci. 2004. Vol. 279, nо. 2. P. 341–350. https://doi:10.1016/j.jcis.2004.06.038

7. Defluoridation of drinking water using adsorption processes // P. Loganathan, S. Vigneswaran, J. Kandasamy, R. Naidu // J. Hazard. Mater. 2013. Vol. 248, nо. 1. P. 1–19. https://doi:10.1016/j.jhazmat.2012.12.043

8. Development of a nanosphere adsorbent for the removal of fluoride from water / K. Zhang, S. Wu, J. He, L. Chen, X. Cai, K. Chen, J. Liu // Journal of Colloid and Interface Science. 2016. Vol. 475. P. 17–25. https://doi:10.1016/j.jcis.2016.04.037

9. Boroznina N. P., Zaporotskova I. V., Zaporotskov P. A. Nanofilters based on carbon nanomaterials for cleaning liquids // Lecture Notes in Networks and Systems. 2021. Vol. 155. P. 297–306. https://doi:10.1007/978-3-030-59126-7_33

10. Guan C., Lv X., Han Z., Chen C., Xu Z., Liu Q. The adsorption enhancement of graphene for fluorine and chlorine from water // Applied Surface Science. 2020. Vol. 516. P. 146157. https://doi:10.1016/j.apsusc.2020.146157

11. Boron doped carbon nanotubes: Synthesis, characterization and emerging applications – A review / S. V. Sawant, A. W. Patwardhan, J. B. Joshi, K. Dasgupta // Chemical Engineering Journal. 2022. Vol. 427. P. 131616. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131616

12. Comparative analysis of the effectiveness of the sensory properties of carbon nanotubes when modifying their surface with boron atoms / N. P. Boroznina, S. V. Boroznin, I. V. Zaporotskova, P. A. Zaporotskov // Lecture Notes in Networks and Systems. 2021. Vol. 155. P. 288–296. https://doi:10.1007/978-3-030-59126-7_32

13. On the practicability of sensors based on surface-carboxylated Boron—Carbon nanotubes / N. P. Boroznina, I. V. Zaporotskova, S. V. Boroznin, L. V. Kozhitov, A. V. Popkova // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2019. Vol. 64, nо. 1. P. 74–78. https://doi:10.1134/S0036023619010029

14. Dyachkov P. N., Kutlubaev D. Z., Makaev D. V. Electronic structure of carbon nanotubes with point impurity //Journal of inorganic chemistry. 2011. Vol. 5, nо. 68. P. 1371–1375. https://doi.org/10.1134/S0036023611080146

15. D’yachkov P. N., Kutlubaev D. Z., Makaev D. V. Linear augmented cylindrical wave Green’s function method for electronic structure of nanotubes with substitutional impurities // Physical Review B. 2010. Vol. 82. P. 035426. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.82.035426

16. Investigation the role of single vacancy defected on the performance of born carbide nanotube as an aspirin drug sensor / R. Yang, L. Zhang, Z. Ma, F. Zhou, L. Wu // Computational and Theoretical Chemistry. 2021. Vol. 1196. P. 113108. https://doi:10.1016/j.comptc. 2020.113108

17. Investigation of pristine and B/N/Pt/Au/Pd doped single-walled carbon nanotube as phosgene gas sensor: A first-principles analysis / S. S. Katta, S. Yadav, A. Pratap Singh, B. SanthiBhushan, A. Srivastava // Applied Surface Science. 2022. Vol. 588. P. 152989. https://doi:10.1016/j.apsusc.2022.152989

18. Запороцкова И. В. Углеродные и неуглеродные наноматериалы и композитные структуры на их основе: строение и электронные свойства. Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2009. 490 с.

19. Boroznin S. V., Zaporotskova I. V., Polikarpova N. P. Investigation of the sorption properties of carbon nanotubes with different boron impurity contents // Nanosystems: physics, chemistry, mathematics. 2016. Vol. 7, nо 1. P. 93–98. https://doi:10.17586/2220-80542016-7-1-93-98

20. Борознин С. В. Исследование примесных атомов бора в металлизации углеродных нанотрубок // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12, № 1. С. 159–173.