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Adsorption of atmospheric gas molecules (NH3, H2S, CO, H2, CH4, NO, NO2, C6H6 and C3H6O) on two-dimensional polyimide with hydrogen bonding: a first-principles study
New Journal of Chemistry ( IF 2.7 ) Pub Date : 2021-2-11 , DOI: 10.1039/d0nj06013e Sujing Yu 1, 2, 3, 4 , Dongzhi Zhang 1, 2, 3, 4 , Wenjing Pan 1, 2, 3, 4 , Jingbin Zeng 2, 3, 4, 5
New Journal of Chemistry ( IF 2.7 ) Pub Date : 2021-2-11 , DOI: 10.1039/d0nj06013e Sujing Yu 1, 2, 3, 4 , Dongzhi Zhang 1, 2, 3, 4 , Wenjing Pan 1, 2, 3, 4 , Jingbin Zeng 2, 3, 4, 5
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Herein, we investigated the effects of hydrogen bond acceptors on the surface of two-dimensional (2D) polyimide (PI) towards NH3, H2S, CO, H2, CH4, NO, NO2, C6H6 and C3H6O gas molecules through first-principles calculations based on density functional theory (DFT). The most stable adsorption configurations are proposed by simulating the adsorption behavior of gas molecules at three 2D PI positions (1-2DPI, 2-2DPI, and 3-2DPI) with different numbers of hydrogen bonds, and the parameters including adsorption energy, charge transfer, electron density, density of states (DOS), recovery time and frontier molecular orbitals were calculated. The simulation results indicate that the absolute values of adsorption energy of 2DPI-NH3, 2DPI-H2S and 2DPI-CO configurations are greater than 0.8 eV, which can be regarded as chemisorption, while those of the 2DPI-H2, 2DPI-CH4, 2DPI-NO, 2DPI-NO2, 2DPI-C6H6 and 2DPI-C3H6O are all less than 0.6 eV, which can be considered as physisorption. Interestingly, the existence of intermolecular hydrogen bonds significantly improves the adsorption capacity of 1-2DPI and 2-2DPI systems compared with the 3-2DPI system. Moreover, the DOS diagram demonstrates that these gas molecules exhibit a different influence on the electronic properties of the 2DPI substrate. It is worth noting that the electronic properties of 2DPI can be effectively changed after the adsorption of NH3, H2S and CO, and 2-2DPI is the best position for gas adsorption. Our results indicate that the 2DPI monolayer with 2D structure and hydrogen bonds may be a good candidate for the detection of NH3, H2S and CO, which opens up new prospects to design and research gas sensor applications.
中文翻译：
具有氢键的二维聚酰亚胺对大气气体分子（NH3，H2S，CO，H2，CH4，NO，NO2，C6H6和C3H6O）的吸附：第一性原理研究
本文中，我们研究了二维（2D）聚酰亚胺（PI）表面上氢键受体对NH 3，H 2 S，CO，H 2，CH 4，NO，NO 2，C 6 H 6和H 2的影响。 C 3高6通过基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算得出O气体分子。通过模拟具有不同氢键数的三个2D PI位置（1-2DPI，2-2DPI和3-2DPI）中气体分子的吸附行为，提出了最稳定的吸附构型，这些参数包括吸附能，电荷转移，计算出电子密度，态密度（DOS），恢复时间和前沿分子轨道。仿真结果表明，2DPI-NH的吸附能量的绝对值3，2DPI-H 2 S和2DPI-CO配置是大于0.8电子伏特，这可被视为化学吸附，而那些2DPI-H的2，2DPI -CH 4，2DPI-NO，2DPI-NO 2，2DPI-C 6 H 6和2DPI-C 3 H 6 O均小于0.6 eV，可以认为是物理吸附。有趣的是，与3-2DPI体系相比，分子间氢键的存在显着提高了1-2DPI和2-2DPI体系的吸附能力。此外，DOS图证明这些气体分子对2DPI基板的电子性能表现出不同的影响。值得注意的是，NH 3，H 2吸附后，可以有效地改变2DPI的电子性质。S和CO，以及2-2DPI是气体吸附的最佳位置。我们的结果表明，具有2D结构和氢键的2DPI单分子层可能是检测NH 3，H 2 S和CO的良好候选者，这为设计和研究气体传感器应用开辟了新的前景。
更新日期：2021-03-08
中文翻译：
具有氢键的二维聚酰亚胺对大气气体分子（NH3，H2S，CO，H2，CH4，NO，NO2，C6H6和C3H6O）的吸附：第一性原理研究
本文中，我们研究了二维（2D）聚酰亚胺（PI）表面上氢键受体对NH 3，H 2 S，CO，H 2，CH 4，NO，NO 2，C 6 H 6和H 2的影响。 C 3高6通过基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算得出O气体分子。通过模拟具有不同氢键数的三个2D PI位置（1-2DPI，2-2DPI和3-2DPI）中气体分子的吸附行为，提出了最稳定的吸附构型，这些参数包括吸附能，电荷转移，计算出电子密度，态密度（DOS），恢复时间和前沿分子轨道。仿真结果表明，2DPI-NH的吸附能量的绝对值3，2DPI-H 2 S和2DPI-CO配置是大于0.8电子伏特，这可被视为化学吸附，而那些2DPI-H的2，2DPI -CH 4，2DPI-NO，2DPI-NO 2，2DPI-C 6 H 6和2DPI-C 3 H 6 O均小于0.6 eV，可以认为是物理吸附。有趣的是，与3-2DPI体系相比，分子间氢键的存在显着提高了1-2DPI和2-2DPI体系的吸附能力。此外，DOS图证明这些气体分子对2DPI基板的电子性能表现出不同的影响。值得注意的是，NH 3，H 2吸附后，可以有效地改变2DPI的电子性质。S和CO，以及2-2DPI是气体吸附的最佳位置。我们的结果表明，具有2D结构和氢键的2DPI单分子层可能是检测NH 3，H 2 S和CO的良好候选者，这为设计和研究气体传感器应用开辟了新的前景。
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