การดูดซับสารประกอบที่มีออกซิเจนและไนไตรเจนบนท่อนาโนคาร์บอนชนิดอาร์มแชร์ขนาดต่างๆ (Adsorption of Comp
การดูดซับสารประกอบที่มีออกซิเจนและไนไตรเจนบนท่อนาโนคาร์บอนชนิดอาร์มแชร์ขนาดต่างๆ (Adsorption of Compounds Contained Oxygen and Nitrogen Atoms on Various Armchair Carbon Nanotubes)
บทความวิจัยโดยวิทยา เรืองพรวิสุทธิ์ หน่วยวิจัยเคมีซูปราโมเลกุล ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์บูรพา ปีที่ 13 ฉบับที่ 2 กรกฎาคม-ธันวาคม 2551 หน้า 99-106 อ่านบทความต้นฉบับ PDF
บทคัดย่อ
ท่อนาโนคาร์บอนได้รับความสนใจและนำไปใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวกับวัสดุศาสตร์ เคมีเกี่ยวกับยา และการประยุกต์ทางนาโนเทคโนโลยี บทความวิจัยนี้นำเสนองานวิจัยทางทฤษฎีที่เกี่ยวกับการดูดซับสารประกอบที่มีสารประกอบที่มีออกซิเจนและไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบบนท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังเดี่ยว (SWCNT) ชนิดอาร์มแชร์ขนาดต่างๆ โดยการคำนวณทางเคมีควอนตัม ปฏิกิริยาการดูดซับ พลังงานการดูดซับ ค่าเทอร์โมไดนามิกส์ของปฏิกิริยาการดูดซับ และค่าพลังงานความเครียดของท่อนาโนคาร์บอน จะกล่าวถึงในรายละเอียด
บทนำ
นับจากการค้นพบและการสังเคราะห์ท่อนาโนคาร์บอนของ Sumio Lijima และ Toshinari Ichihashi (1993) ปัจจุบันได้มีการศึกษาสมบัติต่างๆ ของท่อนาโนคาร์บอนและงานประยุกต์ต่างๆ อย่างกว้างขวาง เช่น การศึกษาปฏิกิริยาการดูดซับสารประกอบต่างๆ เพื่อประโยชน์ของการสังเคราะห์สารประกอบบนท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยว (single-walled carbonnanotube: SWCNT) การดูดซับสารประกอบเพื่อเก็บกักก๊าซที่เป็นก๊าซพิษ เช่น แอมโมเนีย (ammonia: NH3) และไนโตรเจนออกไซด์ (nitrogen oxide: NO2) หรือเพื่อการเก็บกักก๊าซไฮโดรเจนสำหรับเป็นแหล่งพลังงาน (hydrogen storage) ในนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวแบบปลายปิด สำหรับการศึกษาปฏิกิริยาการดูดซับเพื่อประโยชน์ของการสลายตัวของสารประกอบและการสังเคราะห์ทางเคมีได้มีงานวิจัยอย่างกว้างขวาง เช่น การศึกษาปฏิกิริยาการเปิดวงแหวนบนท่อนาโนคาร์บอนฟูลเลอรีน (fullerene: 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) บนท่อนาโนคาร์บอนและโมเลกุลของสารประกอบไดเอโซมีเทนถูกกำหนดให้เป็นส่วนที่คำนวณด้วยทฤษฎีสูง และอะตอมส่วนที่เหลือถูกกำหนดให้เป็นส่วนที่คำนวณด้วยทฤษฎีต่ำกว่า ภาพแสดงส่วนโมเลกุลดังกล่าวได้แสดงในภาพที่ 1 โดยส่วนที่คำนวณด้วยทฤษฎีสูงได้แสดงอะตอมด้วยบอล ซึ่งภาพโมเลกุลด้านขวามือสอดคล้องกับภาพด้านซ้ายมือ ภาพที่ 1(a) และ 1(b) เป็นภาพแสดงพันธะ C1-C2 แบบที่ I และแบบที่ II ตามลำดับ
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) ดังแสดงในภาพที่ 2 และกราฟความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานการดูดซับบนท่อนาโนคาร์บอนขนาด (n,n), n = 3-10 กับความยาวของเส้นผ่าศูนย์กลางของท่อนาโนคาร์บอนแสดงในภาพที่ 3 พลังงานการเกิดปฏิกิริยารวมตัวบนพันธะ C1-C2 ของปฏิกิริยาการดูดซับสารประกอบไดเอโซมีเทนบนท่อนาโนคาร์บอนขนาด (3,3), (5,5) และ (7,7) แสดงในภาพที่ 4
การดูดซับโปรตอนและไฮดรอกไซด์บนท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวอาร์มแชร์
การศึกษาการดูดซับโปรตอนและไฮดรอกไซด์บนท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวอาร์มแชร์ในระบบที่มีน้ำและปราศจากน้ำ ซึ่งกำหนดเป็นท่อนาโนคาร์บอนชนิดสมบูรณ์ที่มีขนาด C80 และ C120 ส่วนชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales มีขนาด C80H20 การศึกษาโครงสร้างของระบบการดูดซับโดยวิธี ONIOM(B3LYP/6-31G(d):AM1) ภายใต้แบบจำลองของท่อนาโนคาร์บอนชนิดสมบูรณ์และชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales ที่ถูกกำหนดให้เป็นส่วนที่คำนวณด้วยทฤษฎีสูง กำหนดเป็นคลัสเตอร์หลายแบบดังแสดงในภาพที่ 5
โครงสร้างส่วนที่คำนวณด้วยทฤษฎีสูงของท่อนาโนปลายปิดชนิดสมบูรณ์และชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales กับโปรตอนและไฮดรอกไซด์ได้แสดงในภาพที่ 6 และโครงสร้างที่ถูกกำหนดให้เป็นส่วนที่คำนวณด้วยทฤษฎีสูงของการคำนวณโดย ONIOM(B3LYP/6-31G(d):AM1) ของท่อนาโนปลายเปิดชนิดสมบูรณ์โดยแบบจำลองต่างๆ และชนิดบกพร่องได้แสดงในภาพที่ 7 สำหรับโครงสร้างที่ถูกกำหนดให้เป็นส่วนที่คำนวณด้วยทฤษฎีสูงของการคำนวณโดย ONIOM(B3LYP/6-31G(d):AM1) ของท่อนาโนปลายเปิดชนิดสมบูรณ์โดยแบบจำลองต่างๆ และชนิดบกพร่องได้แสดงในภาพที่ 8
การดูดซับสารประกอบอัลคอกไซด์บนท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวอาร์มแชร์
การศึกษาการดูดซับเมทอกไซด์ (methoxide) เอทอกไซด์ (ethoxide) และเอ็นโพรพอกไซด์ (n-propoxide) บนท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวอาร์มแชร์ (5,5) ของท่อนาโนคาร์บอนชนิดสมบูรณ์และชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales ที่เป็นท่อปลายปิดที่มีขนาด C80 และ C120 ท่อปลายเปิดที่มีขนาด C80H20 และ C120H20 การศึกษาโครงสร้างของระบบการดูดซับโดยวิธี ONIOM(B3LYP/6-31G(d):AM1) ภายใต้แบบจำลองของท่อนาโนคาร์บอนชนิดสมบูรณ์ชนิด Stone-Wales ที่ถูกกำหนดให้เป็นส่วนที่คำนวณด้วยทฤษฎีสูง กำหนดเป็นคลัสเตอร์หลายแบบดังแสดงในภาพที่ 9
พลังงานของการเกิดสารประกอบเชิงซ้อนบนท่อนาโนแบบปลายปิดและปลายเปิดชนิดสมบูรณ์และชนิดบกพร่องกับสปีชีส์ OH-, OMe-, OEt-, H+.OH-, H+.OMe-, H+.OEt- และ H+.OPr- ภายใต้การคำนวณโดยวิธี ONIOM(B3LYP/6-31G(d):AM1) พบว่าความเสถียรของการจัดตัวของอัลคอกไซด์ที่ถูกดูดซับบนท่อนาโนทั้งชนิดสมบูรณ์หรือชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales และทั้งท่อนาโนปลายปิดหรือปลายเปิด พบว่ามีลำดับดังนี้ hydroxide > methoxide > ethoxide > n-propoxide ซึ่งเป็นลำดับเช่นเดียวกับการดูดซับอัลคอกไซด์บนท่อนาโนที่รวมตัวกับโปรตอนแล้ว (protonates 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 ที่เกิดจากการดูดซับมีความเสถียรมากกว่าสารประกอบเชิงซ้อน 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 และเกาะโดยทั้งคู่ มีค่าต่ำกว่า 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 ซึ่งเป็นลำดับเช่นเดียวกับการดูดซับอัลคอกไซด์บนท่อนาโนที่รวมตัวกับโปรตอน
ระบบท่อนาโนปลายปิดพบว่าการดูดซับไฮดรอกไซด์และอัลคอกไซด์บนท่อนาโนชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales มีความเสถียรพอๆ กัน แต่บนท่อนาโนปลายปิดชนิดสมบูรณ์มีความเสถียรมากกว่าท่อนาโนปลายปิดชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales สำหรับระบบท่อนาโนปลายเปิดพบว่าการดูดซับไฮดรอกไซด์และอัลคอกไซด์บนท่อนาโนปลายปิดชนิดสมบูรณ์มีความเสถียรมากกว่าท่อนาโนปลายปิดชนิดบกพร่องแบบ Stone-Wales เช่นกัน
หมู่ไฮดรอกไซด์และอัลคอกไซด์แทบไม่มีผลต่อความยาวพันธะ C-H แต่ขึ้นกับชนิดท่อนาโน และขนาดของอัลคอกไซด์ไม่มีผลต่อความยาวพันธะ C-O การดูดซับบนท่อนาโนคาร์บอนของอัลคอกไซด์ที่มีสายยาวกว่าพบว่ามีแรงดูดซับน้อยกว่าอัลคอกไซด์ที่มีสายสั้นกว่า และความเสถียรของการดูดซับอัลคอกไซด์บนท่อนาโนคาร์บอนชนิดสมบูรณ์สูงกว่าบนท่อนาโนคาร์บอนชนิดบกพร่อง ยกเว้นการดูดซับบนท่อนาโนคาร์บอนปลายปิด ความเสถียรของการดูดซับอัลคอกไซด์บนท่อนาโนคาร์บอนชนิดบกพร่องสูงกว่าบนท่อนาโนคาร์บอนชนิดสมบูรณ์
เอกสารอ้างอิง (References)
[01] A.B. Smith III, G.T. Furst, K.G. Owens, L. Brard, R.C. King, R.M. Strongin and W.J. Romanow (1993). 1,2-Methanobuckminsterfullerene (C61H2), the Parent Fullerene Cyclopropane: Synthesis and Structure. Journal of the American Chemical Society, 115(13), pp.5829-5830
[02] A.B. Smith III, G.T. Furst, K.G. Owens, L. Brard, R.C. King, R.J. Goldschmidt, R.M. Strongin and W.J. Romanow (1995). Synthesis of Prototypical Fullerene Cyclopropanes and Annulenes Isomer Differentiation via NMR and UV Spectroscopy. Journal of the American Chemical Society, 117(20), pp.5492-5502
[03] A. Bianco, D. Tasis, M. Prato and N. Tagmatarchis (2006). Chemistry of Carbon Nanotubes. Chemical Reviews, 106(3), pp.1105-1136
[04] A. Buldum, J. Han J.J. Zhao and J.P. Lu (2002). Gas Molecule Adsorption in Carbon Nanotues and Nanotube Bundles. Nanotechnology, 13(2), pp.195-200
[05] A.J. Du, B. Wanno, S.C. Smith and V. Ruangpornvisuti (2007). Addition of Diazomethane to Armchair Single-Walled Carbon Nanotubes and Their Reaction Sequences: A Computational Study. Chemical Physics Letters, 436(1-3), pp.218-223
[06] H. Chang, J.D. Lee, S.M. Lee and Y.H. Lee (2001). Adsorption of NH3 and NO2 Molecules on Carbon Nanotubes. Applied Physics Letters, 79(23), pp.3863-3865
[07] K.M. Liew, T.Y. Ng and Y.X. Ren (2006). State of Hydrogen Molecules Confined in C-60 Fullerene and Carbon Nanocapsule Structures. Carbon, 44(3), pp.397-406
[08] K. Saigo, T. Tada and Y. Ishida (2007). Ring-Opening Reaction of Cyclopropanated [60] Fullerenes: Unexpected Transformation of Methano[60]Fullerenes having an Electron-Donating Group on the Methano-Bridge Carbon. Organic Letters, 9(11), pp.2083-2086
[09] R. Wanbayor and V. Ruangpornvisuti (2007). Adsorptions of Proton, Hydroxide on Various Cap-Ended and Open-Ended Armchair (5,5) Single-Walled Carbon Nanotubes. Chemical Physics Letters, 441(1-3), pp.127-131
[10] R. Wanbayor and V. Ruangpornvisuti (2008). Theoretical Study of Adsorption of C1-C3 Alkoxides on Various Cap-Ended and Open-Ended Armchai (5,5) Single-Walled Carbon Nanotubes. Carbon, 46(1), pp.12-18
[11] S. Lijima and T. Ichihashi (1993). Single-Shell Carbon Nanotubes of 1-nm Diameter. Nature, 363, pp.603-406
เราถูกสร้างมาเพื่อบางสิ่งที่ยิ่งใหญ่กว่า
Beautiful Quietness: เงียบแต่ไม่เหงา! ดินแดนแห่งการอ่านและพื้นที่ทางความคิด โลกของนักอ่านและพรมแดนแห่งความรู้ การอ่านสะท้อนความคิด ความคิดสะท้อนตัวตน ตัวตนสะท้อนจิตวิญญาณ pruetsara.wixsite.com