Экспериментальные и молекулярно-динамические исследования процессов сорбции н-бутанола и бутилацетата на поверхности SiO2

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Настоящая работа посвящена экспериментальному и молекулярно-динамическому изучению сорбционных процессов н-бутанола и бутилацетата на поверхности SiO2. Экспериментальные измерения процессов адсорбции/десорбции н-бутанола и бутилацетата на поверхности SiO2 включают в себя данные термокинетической спектрометрии, а моделирование методом компьютерной молекулярной динамики (МД) включало в себя температурные, энергетические и структурные характеристики процессов адсорбции н-бутанола и бутилацетата на поверхности SiO2. По данным МД-моделирования тройной системы “поверхность (SiO2) – несущий газ (Ar) – молекула-мишень (н-бутанол и бутилацетат)” построены и проанализированы профили функции радиального распределения (ФРР) при трех значениях температуры системы Т = 300, 500 и 700 К. Из анализа графиков ФРР н-бутанола и бутилацетата видно, что замещение –OH-группы на ацетатную влияет на конфигурацию атомов C1(Q= –3) и O1(Q= –2) углеродного “скелета” (C1(Q= –3)–C2(Q= –2)–C3(Q= –2)–C4(Q= –1)–O1(Q= –2)) на поверхности SiO2. Более того, сравнительный анализ результатов позволяет предположить, что добавление ацетатной группы увеличивает энергию активации адсорбции молекулы бутилацетата к поверхности SiO2 при повышенных температурах (700 K) по сравнению с н-бутанолом. Экспериментальные данные о процессах десорбции н-бутанола и бутилацетата с поверхности SiO2 в тройной системе н-бутанол/SiO2/аргон дают значение энергии активации десорбции 78.83 кДж/моль, а значение предэкспоненциального множителя – 4.41×107 с–1. Для системы “бутилацетат/SiO2/аргон” значение энергии активации десорбции составило 87.58 кДж/моль, значение предэкспоненциального множителя – 1.81×1010 с–1. Значения энергий активации десорбции подтверждают гипотезу об увеличении энергии активации адсорбции при замещении –OH-группы в н-бутаноле на ацетатную группу в бутилацетате.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Х. Т. Холмуродов

Государственный университет “Дубна”; ОИЯИ; Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Author for correspondence.
Email: mirzo@jinr.ru

ОИЯИ, Лаборатория нейтронной физики им. И. М. Франка; Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Физический факультет

Russian Federation, 141980, Дубна, Московская обл.; 141980, Дубна, Московская обл.; 119991, Москва

И. О. Симоненко

Государственный университет “Дубна”

Email: mirzo@jinr.ru
Russian Federation, 141980, Дубна, Московская обл.

П. П. Гладышев

Государственный университет “Дубна”

Email: mirzo@jinr.ru
Russian Federation, 141980, Дубна, Московская обл.

М. Ю. Яблоков

Государственный университет “Дубна”; Институт синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова РАН

Email: mirzo@jinr.ru
Russian Federation, 141980, Дубна, Московская обл.; 117393, Москва

References

  1. Капустин Д.В., Простякова А.И., Зыбин Д.И., Зубов В.П. // Российские нанотехнологии. 2021. Т. 16. № 1. С. 23.
  2. Оленинa А.Ю., Лисичкин Г.В. // Журн. общ. химии. 2019. Т. 89. № 7. С. 1101.
  3. Пахнутова Е.А., Фаустова Ж.В., Слижов Ю.Г. // Журн. физ. химии. 2018. Т. 92. № 1. С. 135.
  4. Kudryavtsev P.G. // Nanotechnologies in construction. 2020. V. 12(5). P. 256.
  5. Rykowska I., Wasiak W. // Z. Chemia Analityczna. 2003. V. 48. № 3. P. 495.
  6. Гладышев Д.П., Гладышев П.П., Гущин А.П. / Сб. трудов кафедры химии, геохимии и космохимии. Часть 1. Дубна: Международный университет природы, общества и человека “Дубна”. 2009.
  7. Гладышев П.П., Зуев Б.К., Моржухина С.В. / Теоретические предпосылки термокинетической спектроскопии. Тр. кафедры химии, новых технологий и материалов: выпуск 1 / под общ. ред. П.П. Гладышева. 2014. № 1. С. 78.
  8. Холмуродов Х.Т., Пузынин И.В., Дарден Т. // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2003. Т. 34. № 2. С. 474.
  9. Bushuev Y.G., Sastre G. // Microporous and Mesoporous Materials. 2010. V. 129(1–2). P. 42.
  10. Cygan R.T., Liang J.-J., Kalinichev A.G. // J. Phys. Chem. B. 2004. V. 108(4). P. 1255.
  11. Shropshire J., Keat P.P., Vanghan P.A. // Z. Kristallogr. 1959. V. 112. P. 409.
  12. Brooks B.R., Bruccoleri R.E., Olafson B.D., et al. // J. of Computational Chemistry. 1983. https://doi.org/10.1002/jcc.540040211.
  13. Case D.A., Cheatham T.E., Darden T., et al. // Ibid. 2005. V. 26(16). P. 1668.
  14. Smith W., Forester T.R. // J. Mol. Graph. 1996. V. 14. P. 136.
  15. Kholmirzo Kholmurodov (Ed.), “Models in Bioscience and Materials Research: Molecular Dynamics and Related Techniques”, Nova Science Publishers Ltd., 2013. 219 p., ISBN: 978-1-62808-052-0.
  16. Kholmirzo Kholmurodov (Ed.), “Computational Materials and Biological Sceinces”, Nova Science Publishers Ltd., 2015. 208 p., ISBN: 978-1-63482-541-2.
  17. Kholmirzo T. Kholmurodov (Ed). “Computer Design for New Drugs and Materials. Moleсular Dynamics of Nanoscale Phenomena”, (Leading Scientist, Frank Laboratory of Neutron Physics, Joint Institute of Nuclear Research, Dubna, Moscow Region, Russia), ISBN: 978-1-53612-082-0, Nova Science Publishers, New York (2017), 231 p.
  18. Humphrey W., Dalke A. and Schulten K. // J. Molec. Graphics. 1996. V. 14. P. 33.
  19. Snow N.H. // Trends Analytical Chemistry. 2001. V. 21. № 9. P. 608.
  20. Rykowska I., Wasiak W. // Analytica Chimica Acta. 2002. V. 451. № 2. P. 271.
  21. Ristova M. // J. of Molecular Structure. 2009. P. 93.
  22. Лисичкин Г.В. Химия привитых поверхностных соединений. М.: Физматлит, 2003. 592 с.
  23. van Beest B.W.H., Kramer G.J., van Santen R.A. // Phys. Rev. Lett. 1990. V. 64. P. 1955.
  24. Hill J.-R., Sauer J.J. // Phys. Chem. 1995. V. 99. P. 9536.
  25. Corma A., Puche M., Rey F., et al. // Angew. Chem. Int. Ed. 2003. V. 42, P. 1156.
  26. Модифицированные кремнеземы в сорбции, катализе, хроматографии. / Под ред. Г.В. Лисичкина. М.: Химия, 1986. 248 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Structural formula of the n-butanol molecule and symbols for the carbon atoms (C1–C4, turquoise balls) and oxygen (O1, red ball). Gray balls are hydrogen atoms H.

Download (132KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Structural formula of the butyl acetate molecule and symbols for the carbon (C1–C6, turquoise balls) and oxygen (O1–O2, red balls) atoms. Gray balls are hydrogen atoms H.

Download (116KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. External appearance of the TC spectrometer: 1 - lifting table, 2 - filtered air supply from the compressor to the diluent, 3 - fire-resistant calcium silicate plates, 4 - MAHLE KNECHT KL13 fuel filter, 5 - SONIC Silent Powerful 008 air compressor, 6 - KOLION-1B photoionization detector, 7 - connection of the pyrolytic cell (8) and the Thermodat-16E3 temperature controller (13), 8 - pyrolytic cell, 9 - argon supply, 10 - Cole-Parmer flow meters, 11 - product supply to the KOLION-1B photoionization detector (6), 12 - 1-port UPort converter UPort 1150, 13 - Thermodat temperature controller.

Download (451KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Thermokinetic spectra of n-butanol desorption processes from the SiO2 surface at a heating rate of 40 (a) and 50 K/min (b).

Download (282KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Thermokinetic spectra of butyl acetate desorption processes from the SiO2 surface at a heating rate of 40 (a) and 50 K/min (b).

Download (282KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Configuration of the SiO2 surface (a – top view; b – side view); SiO2 surface atoms (Si – yellow; O – red).

Download (616KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Initial configurations of the model of the ternary system (n-butanol, butyl acetate) / SiO2 / argon for subsequent molecular dynamic equilibrations (relaxations) and determination of the equilibrium states of the system (a – top view, b – side view).

Download (1MB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Resulting configurations of the model of the ternary system n-butanol / SiO2 / argon of molecular dynamic equilibrations (relaxations) of the equilibrium states of the system (sequential screenshots in the range from 1 to 5 ns; a–c: from left to right).

Download (1MB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Energy and temperature profiles of relaxation of the n-butanol/SiO2/argon system at T = 300 K: total energy Etot (1), temperature Ttot (2), total configuration energy Ecfg (3), van der Waals interaction energy Evdw (4), Coulomb interaction energy Ecou (5).

Download (123KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Relaxation energy profiles of the n-butanol/SiO2/argon system at T = 300 K: total energy Etot (1), total configuration energy Ecfg (2).

Download (66KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Profiles of changes in the total configuration energy Ecfg of the n-butanol/SiO2/argon system at T = 300 K: 1st calculation (1), 2nd calculation (2), 3rd calculation (3).

Download (101KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. Energy profiles of the change in the total configuration energy Ecfg of the n-butanol/SiO2/argon systems at T = 300 K (1), 500 K (2), 700 K (3) and butyl acetate/SiO2/argon at T = 300 K (4), 500 K (5), 700 K (6).

Download (336KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. Graphs g(r) [Si+4-C1–3] of the radial distribution function at T = 300 K (1), 500 K (2), 700 K (3) for the n-butanol/SiO2/argon (a) and butyl acetate/SiO2/argon (b) systems.

Download (230KB)
Indexing metadata
15. Fig. 14. Graphs g(r) [Si+4-O1–2] of the radial distribution function at T = 300 (1), 500 (2), 700 K (3) for the systems n-butanol/SiO2/argon (a) and butyl acetate/SiO2/argon (b).

Download (213KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences