Квантово-химическое моделирование поверхностного модифицирования углеродной нанотрубки типа «кресло» оксидом кобальта

Проведено исследование процесса адсорбции оксида кобальта Co₃O₄ на поверхности углеродной нанотрубки (УНТ) типа «кресло» в трех положениях адсорбции путем квантово-химического моделирования в рамках теории функционала плотности на уровне теории B3LYP/3-21G. Были рассчитаны значения ширины запрещенной зоны исходной УНТ (6,6) и композитов УНТ (6,6)/Co₃O₄ с различными положениями адсорбции и определены механизмы ее изменения, а также проведен анализ зарядового распределения в полученных структурах. Проведенное исследование позволило установить возможность поверхностного модифицирования углеродной нанотрубки (6,6) оксидом кобальта в любом из рассмотренных положений адсорбции, поскольку во всех приведенных случаях наблюдался процесс химической адсорбции. Подобное модифицирование приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны, что связано с повышением потолка валентной зоны и понижением дна зоны проводимости. В наибольшей степени ширина запрещенной зоны уменьшается при адсорбции оксида кобальта в положение, при котором атом кобальта оксида расположен над центром гексагона углеродной нанотрубки. Электронная плотность смещается с оксида кобальта на поверхность нанотрубки, при этом атом кобальта оксида приобретает положительный заряд, а близлежащие к нему атомы углерода — отрицательный. Полученные результаты могут быть применены для разработки новых устройств наноэлектроники, газовых сенсоров и биосенсоров.

1. Liu B., Wu F., Gui H., Zheng M., Zhou C. Chirality-controlled synthesis and applications of single-wall carbon nanotubes. ACS Nano. 2017; 11 (1); 31-53. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b06900

2. Su W., Li X., Li L., Yang D., Wang F., Wei X., Zhou W., Kataura H., Xie S., Liu H. Chirality-dependent electrical transport properties of carbon nanotubes obtained by experimental measurement. Nature Communications. 2023; 14 (1); 1672. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37443-7

3. Tang D. M., Cretu O., Ishihara S., Zheng Y., Otsuka K., Xiang R., Maruyama S., Cheng H. M., Liu C., Golberg D. Chirality engineering for carbon nanotube electronics. Nature Reviews Electrical Engineering. 2024; 1 (3); 149-162. https://doi.org/10.1038/s44287-023-00011-8

4. Riaz A., Alam A., Selvasundaram P. B., Dehm S., Hennrich F., Kappes M. M., Krupke R. Near‐Infrared Photoresponse of Waveguide‐Integrated Carbon Nanotube–Silicon Junctions. Advanced Electronic Materials. 2019; 5 (1); 1800265. https://doi.org/10.1002/aelm.201800265

5. Dubey R., Dutta D., Sarkar A., Chattopadhyay P. Functionalized carbon nanotubes: Synthesis, properties and applications in water purification, drug delivery, and material and biomedical sciences. Nanoscale Advances. 2021; 3 (20); 5722-5744. https://doi.org/10.1039/D1NA00293G

6. Salah L. S., Ouslimani N., Bousba D., Huynen I., Danlée Y., Aksas H. Carbon nanotubes (CNTs) from synthesis to functionalized (CNTs) using conventional and new chemical approaches. Journal of Nanomaterials. 2021; 2021 (1); 4972770. https://doi.org/10.1155/2021/4972770

7. Devi S., Suman, Chahal S., Singh S., Ankita, Kumar P., Kumar S., Kumar A., Kumar V. Magnetic Fe2O3/CNT nanocomposites: characterization and photocatalytic application towards the degradation of Rose Bengal dye. Ceramics International. 2023; 49 (12); 20071-20079. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.03.130

8. Akhter P., Ali F., Ali A., Hussain M. TiO2 decorated CNTs nanocomposite for efficient photocatalytic degradation of methylene blue. Diamond and Related Materials. 2024; 141; 110702. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.110702

9. Tan C., Luo X., He H., He S., Ren R., Xiao Y., Fu Y., Huang S., Cai Y., Yang Y. Facile fabrication of carbon nanotubes/zinc oxide decorated poly (vinyl alcohol) electrospun nanofiber membrane and its photocatalytic performance. Journal of Applied Polymer Science. 2024; e56132. https://doi.org/10.1002/app.56132

10. Eswaramoorthy N., Rajendran S., Kumar B. A., Nallusamy S., Rengasamy M., Selvaraj Y., Sangaraju S., Krishnan T., Kumaresan G., Rajaram K. Influence of ZnO/MWCNTs based hybrid electrodes for boosting the performance of photovoltaic and supercapacitor devices. Materials Chemistry and Physics. 2024; 316; 129049. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2024.129049

11. Mallakpour S., Khadem E. Carbon nanotube–metal oxide nanocomposites: Fabrication, properties and applications. Chemical Engineering Journal. 2016; 302; 344-367. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.05.038

12. Chinh N. D., Hung N. M., Majumder S., Kim C., Kim D. Hole-supply-rate-controlled methanol-gas-sensing reaction over p-type Co3O4/single-walled carbon nanotube hybrid structures. Sensors and Actuators B: Chemical. 2021; 326; 128956. https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128956

13. Hu Z., Fu Y., Hong Z., Huang Y., Guo W., Yang R., Xu J., Zhou L., Yin S. Composite structural batteries with Co3O4/CNT modified carbon fibers as anode: Computational insights on the interfacial behavior. Composites Science and Technology. 2021; 201; 108495. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108495

14. Han Y., Wang Q., Zheng Q., Cao M., Yuan J., Li L. Ternary WSe2@ CNTs/Co3O4 nanocomposites for highly efficient multi-band microwave absorption. Materials Letters. 2022; 325; 132837. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132837

15. Neugebauer J., Hickel T. Density functional theory in materials science. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 2013; 3(5); 438-448. https://doi.org/10.1002/wcms.1125

16. Davidson E. R., Clark A. E. A viewpoint on population analyses. International journal of quantum chemistry. 2022; 122 (8); e26860. https://doi.org/10.1002/qua.26860