SUPERVISOR
Hossein Farrokhpour,HOSSEIN TAVAKOL
حسین فرخ پور (استاد مشاور) حسین توکل (استاد راهنما)
STUDENT
Akram Mollaei renani
اکرم ملائی رنانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Theoretical investigation of structure, stability and bonding properties of rare gas structures and study about adsorption of small molecules on the surface of simple and sulfur doped graphene
In the first study, the optimized geometries, molecular properties, and stabilities of new noble gas molecules, XXeOH and XKrOH (X = F, Cl, Br, and I), were studied using CCSD, MP2, CAM-B3LYP, and WB97XD methods and two Aug-CC-PVTZ and 6-311++G** basis sets. In addition, for NBO atomic charges, hybridizations and the bonding properties of XXeOH molecules were studied by AIM calculations (to calculate electron densities, bond elipticities, and Laplacian of electron densities) and second-order intramolecular perturbation energies using NBO calculations. The results showed that IXeOH, showing two OH - and IXe + parts, while in other molecules, they could be presented as XeOH + and X - . Two decomposition routes were proposed for these molecules that showed high exothermic reactions. However, despite their low thermodynamic stabilities, their decomposition rate constants were small and all molecules (except BrXeOH) had high kinetic stabilities, indicating the possibility for identification and characterization of these molecules. Moreover, the ease of formations and relative stabilities of XXeOH molecules were compared using heats of formations, Gi free energies of formations and isodesmic reactions. These calculations showed that the stability of XXeOH molecules was decreased from F to I. In XKrOH molecules, IKrOH and BrKrOH molecules showed two X - and KrOH + parts, while in FKrOH and ClKrOH, they could be presented as XKr + and OH - . A decomposition route was proposed and result showed high exothermic reactions. However, their decomposition rate constants were small and all molecules had high kinetic stabilities. Comparing relative stabilities using heats of formations and isodesmic reactions showed the FKrOH is the most stable and IKrOH is the least stable structure. The reactivity parameters, obtained from population analyses showed that the reactivities increased and stabilities decreased from FKrOH to IKrOH. In the second study, the interactions between graphene (G), S-doped graphene (SG) and 2S-doped graphene (2SG) with eight small molecules including molecular halogens, CH 3 OH, CH 3 SH, H 2 O and H 2 S were studied using density functional theory calculations. The adsorption energies showed that the SG was the best adsorbent, fluorine was the best adsorbate and halogens were adsorbed on graphenes better than the other molecules. Most adsorption processes in the gas phase were exothermic with small positive ?G ads . Moreover, the solvent effect on the adsorption process was examined and all ?H ads and ?G ads values for adsorption processes tended to more negative values in all solvents. Therefore, the most adsorption processes in the solvents are thermodynamically favorable. The second order perturbation energies obtained from NBO calculations confirmed that the interactions between halogens and our molecules had more strength than that of other molecules. The Laplacian of ? values obtained from the AIM calculations indicated that the type of interaction in all our complexes was closed shell interaction. The MO results and DOS plots also revealed sulfur doping could increase the conductivity of graphene and this conductivity was enhanced more when they interacted with graphenes.
در این تحقیق ابتدا ساختارهای بهینه شده، خواص مولکولی، فرکانسهای ارتعاشی، بارهای اتمی NBO و هیبریداسیون دو مولکول XXeOH و XKrOH (X=F, Cl, Br, I)، توسط نظریات تابع چگالی (DFT، با روش CAM-B3LYP و WB97XD)، مولر پلاست مرتبه دوم (MP2) و کلاسترهای خوشهای (CCSD) مورد بررسی قرار گرفتند. در ترکیب با این چهار روش، دو مجموعه پایه 6-311++G** و Aug-CC-PVTZ برای تمام اتمها به غیر از زنون و ید استفاده شد. به علاوه خواص پیوندی با استفاده از محاسبات AIM و NBO برای به دست آوردن انرژی اختلال مرتبه دوم، دانسیته الکترون، بیضی گونی پیوند و لاپلاسین دانسیته الکترون بررسی شد. نتایج حاکی از آن است که مولکول IXeOH دو جزء IXe + و OH - را نشان میدهد در صورتی که دیگر مولکولها به صورت XeOH + و X - هستند. همچنین برای مولکول XXeOH دو واکنش تجزیه دو جزئی و سه جزئی پیشنهاد شد که هر دو این واکنشها گرمازا هستند. برای مقایسه پایداری ترکیبات از دو روش اتمیزاسیون و واکنش ایزودسمیک استفاده شد. نتایج نشان میدهد که پایداری این ترکیبات از فلوئور تا ید کاهش مییابد. به علاوه علی رغم پایداری ترمودینامیکی پایین، این مولکولها پایداری سینتیکی بالایی دارند (به جز BrXeOH در تجزیه سه جزئی) که نشان دهنده امکان شناسایی و بررسی این ترکیبات دارد. نتایج مشابهی نیز برای مولکول XKrOH به دست آمد. از میان چهار هالوژن، مولکولهای BrKrOH و IKrOH به صورت اجزاء I - ، Br - و KrOH + هستند درحالیکه دیگر مولکولها به صورت دو جزء XKr + و OH - هستند. همچنین بر اساس روش تجزیه پیشنهاد شده برای این مولکول مشخص شد که واکنش تجزیه گرمازاست. با استفاده از گرمای واکنش و انرژی آزاد گیبس تشکیل و همچنین واکنش ایزودسمیک، پایداری نسبی و سهولت تشکیل مولکول مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که همانند مولکول XXeOH، پایداری مولکول از فلوئور تا ید کاهش مییابد. همچنین پارامترهای فعالیت به دست آمده از محاسبات آنالیز جمعیت نشان داد که از FKrOH تا IKrOH واکنش پذیری افزایش و پایداری کاهش خواهد یافت. در قسمت دیگر این پایان نامه برهمکنش بین گرافن (G)، گرافن دوپ شده با یک اتم گوگرد (SG) و گرافن دوپ شده با دو اتم گوگرد (2SG)، با هشت مولکول کوچک (F 2 ، Cl 2 ، Br 2 ، I 2 ، CH 3 OH، H 2 O، CH 3 SH و H 2 S) با استفاده از محاسبات نظریه تابع چگالی مورد بررسی قرار گرفته است. به دلیل تعداد بالای اتمهای در نظر گرفته شده برای این مولکول (42 اتم شامل 27 اتم کربن و 15 اتم هیدروژن)، نظریه تابع چگالی (DFT) با روش B3LYP و مجموعه پایه 6-31G برای محاسبات بهینه سازی در نظر گرفته شد و محاسبات فرکانس توسط نظریه تابع چگالی (DFT) با روش B3LYP و مجموعه پایه 6-311+G* صورت گرفت. با توجه به نتایج، انرژیهای جذب نشان میدهد که SG جاذب بهتر و F ماده جذب شده بهتری است. در فاز گاز ?G ads (انرژی آزاد گیبس برای فرآیند جذب) مقدار کوچک و مثبت دارد و بنابراین واکنش گرمازاست. علاوه بر این اثرات حلال روی فرآیند جذب نیز بررسی شده، مشاهده شد که مقدار ?H ads (آنتالپی برای فرآیند جذب) و?G ads به اعداد منفی بزرگ در تمام حلالها متمایل شده بنابراین بسیاری از فرآیندهای جذب در حلالها، از لحاظ ترمودینامیکی مساعد هستند. همچنین با استفاده از انرژی اختلال مرتبه دوم که از محاسبات NBO بدست آمده، مشخص شد که برهمکنش هالوژنها وگرافن از برهمکنش 4 مولکول دیگر قویتر است. با توجه به دادههای لاپلاسین ? که از محاسبات AIM بدست آمده، برهمکنش در تمام کمپلکس ها از نوع یونی است و بر اساس نتایج اوربیتالهای مولکولی و همچنین نمودارهای DOS که از محاسبات آنالیز جمعیت (POP) به دست میآیند، گرافن دوپ شده با گوگرد، نسبت به گرافن دوپ نشده رسانایی بیشتری دارد.