การดูดซับสารประกอบที่มีออกซิเจนและไนไตรเจนบนท่อนาโนคาร์บอนชนิดอาร์มแชร์ขนาดต่างๆ (Adsorption of Comp
บทคัดย่อ
ท่อนาโนคาร์บอนได้รับความสนใจและนำไปใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวกับวัสดุศาสตร์ เคมีเกี่ยวกับยา และการประยุกต์ทางนาโนเทคโนโลยี บทความวิจัยนี้นำเสนองานวิจัยทางทฤษฎีที่เกี่ยวกับการดูดซับสารประกอบที่มีออกซิเจน (oxygen) และไนโตรเจน (nitrogen) เป็นองค์ประกอบบนท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังเดี่ยว (single-walled carbon nanotubes: SWCNT) ชนิดอาร์มแชร์ขนาดต่างๆ โดยการคำนวณทางเคมีควอนตัม ปฏิกิริยาการดูดซับ พลังงานการดูดซับ ค่าเทอร์โมไดนามิกส์ (thermodynamic) ของปฏิกิริยาดูดซับ และค่าพลังงานความเครียดของท่อนาโนคาร์บอนจะกล่าวถึงในรายละเอียด
บทนำ
นับจากการค้นพบและการสังเคราะห์ท่อนาโนคาร์บอนของ Sumio Lijima และ T. Ichihashi (1993) ปัจจุบันได้มีการศึกษาสมบัติต่างๆ ของท่อนาโนคาร์บอนและงานประยุกต์ต่างๆ อย่างกว้างขวาง เช่น การศึกษาปฏิกิริยาการดูดซับสารประกอบต่างๆ เพื่อประโยชน์ของการสังเคราะห์สารประกอบบนท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยว การดูดซับสารประกอบเพื่อเก็บกักก๊าซที่เป็นก๊าซพิษเช่น ก๊าซแอมโมเนีย (ammonia or azane: NH3) และไนโตรเจนไดออกไซด์ (nitrogen dioxide: NO2) หรือเพื่อการเก็บกักก๊าซไฮโดรเจนสำหรับเป็นแหล่งพลังงาน (hydrogen storage) ในนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวแบบปลายปิด สำหรับการศึกษาปฏิกิริยาการดูดซับเพื่อประโยชน์ของการสลายตัวของสารประกอบและการสังเคราะห์ทางเคมีได้มีงานวิจัยอย่างกว้างขวาง เช่น การศึกษาปฏิกิริยาการเปิดวงแหวนบนท่อนาโนคาร์บอน C60 และปฏิกิริยาเคมีบนท่อนาโนคาร์บอน
บทความนี้เกี่ยวข้องกับงานวิจัยทางด้านทฤษฎีที่เป็นการศึกษาการดูดซับสารประกอบไดเอโซมีเทน (diazomethane) บนท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวชนิดอาร์มแชร์ขนาด (n,n), n = 3-10 ที่เป็นท่อปลายเปิดชนิดสมบูรณ์ การดูดซับโปรตอน (proton) ไฮดรอกไซด์ (hydroxide) และสารประกอบอัลคอกไซด์ (alkoxide) บนท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวชนิดอาร์มแชร์ขนาด (5,5) ที่เป็นท่อปลายเปิดและปลายปิดชนิดสมบูรณ์และบกพร่องแบบ Stone-Wales ณ อุณหภูมิ 278.15 K โดยใช้การคำนวณทางเคมีควอนตัมชนิดวิธี ONIOM(B3LYP/6-31G(d):PM3) และ ONIOM(B3LYP/6-31G(d):AM1) เป็นการผสมระหว่างส่วนที่คำนวณด้วยทฤษฎีสูง (B3LYP/6-31G(d)) และส่วนที่คำนวณด้วยทฤษฎีต่ำ (PM3 หรือ AM1)
ปฏิกิริยารวมตัวของไดเอโซมีเทนบนท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวอาร์มแชร์
การดูดซับสารประกอบไดเอโซมีเทนบนท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวชนิดอาร์มแชร์ขนาด (n,n), n = 3-10 โดยมีความยาวของท่อนาโนเท่ากับ 10 แถวของอะตอมรอบท่อนาโนคาร์บอนโดยวิธี ONIOM(B3LYP/6-31G(d):PM3) ภายใต้แบบจำลองที่ใช้คลัสเตอร์เป็นโมเลกุลของไพรีน (pyrene: C16) บนท่อนาโนคาร์บอน และโมเลกุลของสารประกอบไดเอโซมีเทนถูกกำหนดให้เป็นส่วนที่คำนวณด้วยทฤษฎีสูงและอะตอมส่วนที่เหลือถูกกำหนดให้เป็นส่วนที่คำนวณด้วยทฤษฎีต่ำกว่า พบว่าปฏิกิริยาการดูดซับสารประกอบไดเอโซมีเทนบนท่อนาโนคาร์บอนขนาด (3,3), (4,4), (5,5), (6,6) และ (7,7) เกิดปฏิกิริยาผ่านโครงสร้างแทรนซิชัน TS1 และ TS2 ของปฏิกิริยารวมตัวบนพันธะ C1-C2 แบบที่ I และ II ตัวแทนปฏิกิริยาการดูดซับสารประกอบไดเอโซมีเทนบนท่อนาโนคาร์บอนขนาด (3,3), (5,5) และ (7,7)
การดูดซับโปรตอนและไฮดรอกไซด์บนท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวอาร์มแชร์
การศึกษาการดูดซับโปรตอนและไฮดรอกไซด์บนท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวอาร์มแชร์ในระบบที่มีน้ำและปราศจากน้ำซึ่งกำหนดเป็นท่อนาโนคาร์บอนชนิดสมบูรณ์ที่มีขนาด C80 และ C120 ส่วนชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales มีขนาด C80H20 การศึกษาโครงสร้างของระบบการดูดซับโดยวิธี ONIOM(B3LYP/6-31G(d):AM1) ภายใต้แบบจำลองของท่อนาโนคาร์บอนชนิดสมบูรณ์และชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales ที่ถูกกำหนดให้เป็นส่วนที่คำนวณด้วยทฤษฎีสูงกำหนดเป็นคลัสเตอร์หลายแบบ
การดูดซับสารประกอบอัลคอกไซด์บนท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวอาร์มแชร์
การศึกษาการดูดซับเมทอกไซด์ (methoxide) เอทอกไซด์ (ethoxide) และเอ็น-โพรพอกไซด์ (n-propoxide) บนท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวอาร์มแชร์ (5,5) ของท่อนาโนคาร์บอนชนิดสมบูรณ์และชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales ที่เป็นท่อปลายปิดที่มีขนาด C80 และ C120 และ C120H20 การศึกษาโครงสร้างของระบบการดูดซับโดยวิธี ONIOM(B3LYP/6-31G(d):AM1) ภายใต้แบบจำลองของท่อนาโนคาร์บอนชนิดสมบูรณ์ชนิด Stone-Wales ที่ถูกกำหนดให้เป็นส่วนที่คำนวณด้วยทฤษฎีสูงกำหนดเป็นคลัสเตอร์หลายแบบ
พลังงานของการเกิดสารประกอบเชิงซ้อนบนท่อนาโนแบบปลายปิดและปลายเปิดชนิดสมบูรณ์และชนิดบกพร่องกับสปีชีส์ OH-, OMe- , OEt- , OPr- , H+.OH-, H+.OMe-, H+.OEt-, H+.OPr- ภายใต้การคำนวณโดยวิธี ONIOM(B3LYP/6-31G(d):AM1) พบว่าความเสถียรของการจัดตัวของอัลคอกไซด์ที่ถูกดูดซับบนท่อนาโนทั้งชนิดสมบูรณ์หรือชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales และทั้งท่อนาโนปลายปิดหรือปลายเปิด พบว่ามีลำดับดังนี้ hydroxide > methoxide > ethoxide > n-propoxide ซึ่งเป็นลำดับเช่นเดียวกับการดูดซับอัลคอกไซด์บนท่อนาโนที่รวมตัวกับโปรตอนแล้ว (protonated nanotube)
บทสรุป
พลังงานการดูดซับของปฏิกิริยารวมตัวของ CH2N2 และ CH2 บนพันธะ C1-C2 แบบที่ I และแบบที่ II ของท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวปลายเปิดชนิดอาร์มแชร์ขนาด (n.n), n = 3-10 คำนวณโดยวิธี B3LYP/6-31G(d)//ONIOM(B3LYP/6-31G(d):PM3) สารประกอบเชิงซ้อน SWCNT/CH2 ที่เกิดจากการดูดซับมีความเสถียรมากกว่า สารประกอบเชิงซ้อน SWCNT/CH2N2 บนพันธะแบบที่ I ระหว่าง 47-69 kcal/mol และแบบที่ II ระหว่าง 21-31 kcal/mol และพบว่าพลังงานการดูดซับเพิ่มขึ้นเมื่อเส้นผ่าศูนย์กลางของท่อนาโนมีขนาดลดลง
การดูดซับโปรตอนและไฮดรอกไซด์บนท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวอาร์มแชร์ขนาด (5,5) ของท่อนาโนคาร์บอนชนิดสมบูรณ์ที่มีขนาด C80 และ C120 ส่วนชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales มีขนาด C80H20 เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ปฏิกิริยาการรวมตัวกับน้ำหนึ่งโมเลกุลบนท่อนาโนเกาะโดยโปรตอน เกาะโดยไฮดรอกไซด์ และเกาะโดยทั้งคู่มีค่าต่ำกว่า 11 kcal/mol และพลังงานเครียดของท่อนาโนที่เกิดการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการดูดซับโปรตอน ไฮดรอกไซด์ และทั้งคู่มีค่าระหว่าง 6.3-74.8 kcal/mol ส่วนท่อนาโนชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales เกิดปฏิกิริยาการรวมตัวกับโปรตอนได้ดีกว่าท่อนาโนชนิดสมบูรณ์ ความเสถียรของการจัดตัวของอัลคอกไซด์ที่ถูกดูดซับบนท่อนาโนทั้งชนิดสมบูรณ์หรือชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales และทั้งท่อนาโนปลายปิดหรือปลายเปิด พบว่ามีลำดับดังนี้ hydroxide > methoxide > ethoxide > n-propoxide เป็นลำดับเช่นเดียวกับการดูดซับอัลคอกไซด์บนท่อนาโนที่รวมตัวกับโปรตอน
ระบบท่อนาโนปลายปิดพบว่าการดูดซับไฮดรอกไซด์และอัลคอกไซด์บนท่อนาโนชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales มีความเสถียรพอๆ กัน แต่บนท่อนาโนปลายปิดชนิดสมบูรณ์มีความเสถียรมากกว่าท่อนาโนปลายปิดชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales สำหรับระบบท่อนาโนปลายเปิดพบว่าการดูดซับไฮดรอกไซด์และอัลคอกไซด์บนท่อนาโนปลายปิดชนิดสมบูรณ์มีความเสถียรมากกว่าท่อนาโนปลายปิดชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales เช่นกัน
หมู่ไฮดรอกไซด์และอัลคอกไซด์แบบไม่มีผลต่อความยาวพันธะ C-H แต่ขึ้นกับชนิดท่อนาโน และขนาดของอัลคอกไซด์ไม่มีผลต่อความยาวพันธะ C-O การดูดซับบนท่อนาโนคาร์บอนของอัลคอกไซด์ที่มีสายยาวกว่าพบว่ามีแรงดูดซับน้อยกว่าอัลคอกไซด์ที่มีสายสั้นกว่า และความเสถียรของการดูดซับอัลคอกไซด์บนท่อนาโนคาร์บอนชนิดสมบูรณ์สูงกว่าบนท่อนาโนคาร์บอนชนิดบกพร่อง ยกเว้นการดูดซับบนท่อนาโนคาร์บอนปลายปิด ความเสถียรของการดูดซับอัลคอกไซด์บนท่อนาโนคาร์บอนชนิดบกพร่องสูงกว่าบนท่อนาโนคาร์บอนชนิดสมบูรณ์
บทความวิจัยโดยวิทยา เรืองพรวิสุทธิ์ หน่วยวิจัยเคมีซูปราโมเลกุล ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์บูรพา ปีที่ 13 ฉบับที่ 2 กรกฎาคม-ธันวาคม 2551 หน้า 99-106 อ่านบทความฉบับเต็ม Click
Beautiful Quietness: เงียบแต่ไม่เหงา! ดินแดนแห่งการอ่านและพื้นที่ทางความคิด โลกของนักอ่านและพรมแดนแห่งความรู้ การอ่านสะท้อนความคิด ความคิดสะท้อนตัวตน ตัวตนสะท้อนจิตวิญญาณ pruetsara.wixsite.com