Dioxygen adsorption and dissociation on fullerenes - a computational study
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2014-09-30
Department
Major/Subject
Teknillinen fysiikka
Mcode
F3005
Degree programme
Teknillisen fysiikan ja matematiikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
vii + 75
Series
Abstract
In this thesis, the adsorption and dissociation of oxygen molecule on different fullerenes are studied by calculating the adsorption and dissociation energies for different reaction paths. In addition, the activation energies for the dissociation reaction of the adsorbed oxygen molecule are calculated for selected reaction paths. All calculations are based on the density functional theory (DFT), and the calculations are carried out with the CP2K program. The studied fullerenes are C60, C59N, C180, and C179N. For each of these, the effects of charging on the bond lengths and reaction energies are studied. Studying charged fullerenes may give some insight to endohedral metallofullerenes, as the carbon atoms in those systems are also negatively charged. One of the central goals of this thesis is to understand the effects of the fullerene charge, nitrogen doping, and the size of the fullerene on the adsorption, dissociation, and activation energies for the dissociation reaction. It was found that the size, charge, and presence of nitrogen on the fullerene all affect the reaction energies. Both extra charge and nitrogen doping make both the adsorption and dissociation of the oxygen molecule more energetically favourable compared to a free oxygen molecule. Increasing the size of the fullerene has the opposite effect. Besides these three parameters, the adsorption site of the oxygen molecule on the fullerene also has a large effect on the reaction energies. It was also seen that both extra charge and nitrogen lower the activation energies for the dissociation of the adsorbed oxygen molecule. The size of the fullerene has only a weak effect on the activation energies.Tässä työssä tutkitaan happimolekyylin adsorptiota ja dissosiaatiota erilaisten fullereenien pinnoilla. Happimolekyylin eri reaktiopoluille lasketaan adsorptio- ja dissosiaatioenergiat. Tämän lisäksi tarkastellaan muutamalla valitulla polulla myös aktivaatioenergiaa happimolekyylin adsorboituneen ja dissosioituneen tilan välillä. Työssä käytetään tiheysfunktionaaliteoriaa (DFT), jonka laskujen suorittamiseen käytetään CP2K-nimistä ohjelmistoa. Työssä tutkittavat fullereenit ovat C60 ja C59N sekä C180 ja C179N. Kussakin analysoidussa tapauksessa tarkasteltiin fullereenin varauksen vaikutusta eri atomien välisten sidosten pituuksiin ja reaktioenergioihin. Varattujen fullereenien tutkiminen voi tuoda lisätietoa myös metallitäytteisistä fullereeneista, sillä mikäli fullereenin sisällä on metalliatomeja, jotka luovuttavat elektroneja sille, sen varaus muuttuu negatiiviseksi kuten tässäkin tutkituilla fullereeneilla. Työn yhtenä keskeisenä tavoitteena onkin ymmärtää fullereenin sähkövarauksen ja yhden hiiliatomin korvaamisen typpiatomilla vaikutuksia hapen adsorptio- ja dissosiaatioenergioihin sekä aktivaatioenergioihin adsorboituneen ja dissosioituneen konfiguraation välillä. Tehtyjen laskujen perusteella havaittiin, että fullereenin koko, varaus, ja typen lisäys systeemiin vaikuttavat reaktioenergioihin. Typpilisäys ja fullereenin varaus siirtävät happimolekyylin adsorptio- ja dissosiaatioreaktioiden tasapainotilaa reaktiotuotteiden suuntaan. Sen sijaan fullereenin koon kasvattaminen vaikutti päinvastaiseen suuntaan. Lisäksi havaittiin, että sillä mihin fullereenin kohtaan happimolekyyli kiinnittyy, on huomattava vaikutus reaktioenergioihin. Sekä typpidouppaus että varaus myös pienentävät aktivaatioenergiaa adsorboituneen happimolekyylin dissosiaatioreaktiossa, eli ne nopeuttavat happimolekyylin hajoamista. Fullereenin koon kasvattaminen puolestaan vaikuttaa aktivaatioenergiaan korkeintaan heikosti.Description
Supervisor
Kauppinen, EskoThesis advisor
Taubert, StefanLaasonen, Kari
Keywords
density functional theory, DFT, fullerenes, adsorption, dissociation, tiheysfunktionaaliteoria, DFT, fullereenit, adsorptio, dissosiaatio
