Published March 1, 2024
| Version v1
Publication
DFT study of adsorption properties of the ammonia on both pristine and Si-doped graphene nanoflakes
Creators
- 1. Iraq University College
- 2. University of Sfax
- 3. Southern Illinois University School of Medicine
Description
Investigation of the interactions between nanomaterials and molecules at the molecular level is a crucial factor in the design of novel materials for nanosensor applications. In this study, we used the chemical calculations based on density functional theory calculations to evaluate the adsorption properties for the NH3 molecule (ammonia) over the surface of the pristine graphene nanoflakes (PGNFs) and Si-doped graphene nanoflakes (Si-GNFs). The results show that NH3 molecules are physically adsorbed onto the surface of PGNFs, while it is significantly chemisorbed onto the surface of Si-GNFs, with an adsorption energy of -1.561 eV. The recovery time for NH3/PGNF after adsorption process is very small, so the detection of the NH3 molecule is practically impossible even it has high electronic sensitivity of PGNF to the NH3 molecule. When a Si atom was substituted for a carbon atom, the adsorption characteristics of GNF improved. This, in turn, reduced the stability of the Si-GNF cluster, increasing its activity significantly relative to that of PGNF. When the Si-GNF cluster interacted with the NH3 molecule, its electrical conductivity increased significantly, and there was a large change in the energy gap. It follows that the Si-GNF cluster is an excellent candidate for use as a nanosensor for NH3 molecule detection due to its high electrical sensitivity to the above molecules. Therefore, the presence of silicon considerably promotes the NH3 chemisorption onto the GNFs and therefore significantly increases their sensitivity performance. In conclusion, the Si-GNF clusters could be employed as effective nanosensors for NH3 molecule detection.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يعد التحقيق في التفاعلات بين المواد النانوية والجزيئات على المستوى الجزيئي عاملاً حاسماً في تصميم المواد الجديدة لتطبيقات المستشعرات النانوية. في هذه الدراسة، استخدمنا الحسابات الكيميائية بناءً على حسابات نظرية الكثافة الوظيفية لتقييم خصائص الامتزاز لجزيء NH3 (الأمونيا) على سطح رقائق الجرافين النانوية البكر (PGNFs) و رقائق الجرافين النانوية (Si - GNFs). تظهر النتائج أن جزيئات NH3 يتم امتزازها فعليًا على سطح PGNFs، بينما يتم امتزازها بشكل كبير على سطح Si - GNFs، مع طاقة امتزاز تبلغ -1.561 إلكترون فولت. وقت التعافي لـ NH3/PGNF بعد عملية الامتزاز صغير جدًا، لذلك فإن اكتشاف جزيء NH3 مستحيل عمليًا حتى لو كان لديه حساسية إلكترونية عالية لـ PGNF لجزيء NH3. عندما تم استبدال ذرة Si بذرة كربون، تحسنت خصائص الامتزاز لـ GNF. وهذا بدوره قلل من استقرار مجموعة Si - GNF، مما زاد من نشاطها بشكل كبير مقارنة بنشاط PGNF. عندما تفاعلت مجموعة Si - GNF مع جزيء NH3، زادت الموصلية الكهربائية بشكل كبير، وكان هناك تغيير كبير في فجوة الطاقة. ويترتب على ذلك أن مجموعة Si - GNF هي مرشح ممتاز للاستخدام كمستشعر نانوي للكشف عن جزيئات NH3 بسبب حساسيتها الكهربائية العالية للجزيئات المذكورة أعلاه. لذلك، فإن وجود السيليكون يعزز بشكل كبير الامتزاز الكيميائي لـ NH3 على GNFs وبالتالي يزيد بشكل كبير من أداء حساسيتها. في الختام، يمكن استخدام مجموعات Si - GNF كمستشعرات نانوية فعالة للكشف عن جزيئات NH3.Translated Description (French)
L'étude des interactions entre les nanomatériaux et les molécules au niveau moléculaire est un facteur crucial dans la conception de nouveaux matériaux pour les applications de nanocapteurs. Dans cette étude, nous avons utilisé les calculs chimiques basés sur les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité pour évaluer les propriétés d'adsorption de la molécule de NH3 (ammoniac) à la surface des nanoflocs de graphène vierges (PGNF) et des nanoflocs de graphène dopés au Si (Si-GNF). Les résultats montrent que les molécules de NH3 sont physiquement adsorbées sur la surface des PGNF, alors qu'elles sont significativement chimisorbées sur la surface des Si-GNF, avec une énergie d'adsorption de -1,561 eV. Le temps de récupération du NH3/PGNF après le processus d'adsorption est très faible, de sorte que la détection de la molécule de NH3 est pratiquement impossible, même si elle présente une sensibilité électronique élevée du PGNF à la molécule de NH3. Lorsqu'un atome de Si a été substitué à un atome de carbone, les caractéristiques d'adsorption du GNF se sont améliorées. Ceci, à son tour, a réduit la stabilité de l'agrégat Si-GNF, augmentant son activité de manière significative par rapport à celle du PGNF. Lorsque l'agrégat Si-GNF interagissait avec la molécule de NH3, sa conductivité électrique augmentait de manière significative et il y avait un grand changement dans le gap d'énergie. Il s'ensuit que le cluster Si-GNF est un excellent candidat pour une utilisation en tant que nanocapteur pour la détection de molécules de NH3 en raison de sa sensibilité électrique élevée aux molécules ci-dessus. Par conséquent, la présence de silicium favorise considérablement la chimisorption de NH3 sur les GNF et augmente donc considérablement leurs performances de sensibilité. En conclusion, les grappes Si-GNF pourraient être utilisées comme nanocapteurs efficaces pour la détection de molécules de NH3.Translated Description (Spanish)
La investigación de las interacciones entre nanomateriales y moléculas a nivel molecular es un factor crucial en el diseño de nuevos materiales para aplicaciones de nanosensores. En este estudio, utilizamos los cálculos químicos basados en cálculos de la teoría funcional de la densidad para evaluar las propiedades de adsorción de la molécula de NH3 (amoníaco) sobre la superficie de los nanoescamas de grafeno prístino (PGNF) y los nanoescamas de grafeno dopado con Si (Si-GNF). Los resultados muestran que las moléculas de NH3 se adsorben físicamente en la superficie de los PGNF, mientras que se quimisorben significativamente en la superficie de los Si-GNF, con una energía de adsorción de -1.561 eV. El tiempo de recuperación para NH3/PGNF después del proceso de adsorción es muy pequeño, por lo que la detección de la molécula de NH3 es prácticamente imposible incluso si tiene una alta sensibilidad electrónica de PGNF a la molécula de NH3. Cuando un átomo de Si se sustituyó por un átomo de carbono, las características de adsorción de GNF mejoraron. Esto, a su vez, redujo la estabilidad del grupo Si-GNF, aumentando su actividad significativamente en relación con la del PGNF. Cuando el grupo Si-GNF interactuó con la molécula de NH3, su conductividad eléctrica aumentó significativamente y hubo un gran cambio en la brecha de energía. Se deduce que el grupo Si-GNF es un excelente candidato para su uso como nanosensor para la detección de moléculas de NH3 debido a su alta sensibilidad eléctrica a las moléculas anteriores. Por lo tanto, la presencia de silicio promueve considerablemente la quimisorción de NH3 en los GNF y, por lo tanto, aumenta significativamente su rendimiento de sensibilidad. En conclusión, los grupos de Si-GNF podrían emplearse como nanosensores eficaces para la detección de moléculas de NH3.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- دراسة DFT لخصائص الامتزاز للأمونيا على كل من رقائق الجرافين النانوية البكر والمنشطة Si
- Translated title (French)
- Étude DFT des propriétés d'adsorption de l'ammoniac sur des nanoflocules de graphène vierges et dopées au Si
- Translated title (Spanish)
- Estudio DFT de las propiedades de adsorción del amoníaco en nanoescamas de grafeno prístinas y dopadas con Si
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4392647663
- DOI
- 10.1016/j.chphi.2024.100561
References
- https://openalex.org/W881731460
- https://openalex.org/W1260021478
- https://openalex.org/W1795630677
- https://openalex.org/W1964050971
- https://openalex.org/W1984231062
- https://openalex.org/W1988990392
- https://openalex.org/W2002754451
- https://openalex.org/W2007067170
- https://openalex.org/W2029557130
- https://openalex.org/W2040365636
- https://openalex.org/W2058866236
- https://openalex.org/W2075334496
- https://openalex.org/W2077903286
- https://openalex.org/W2081018600
- https://openalex.org/W2081613373
- https://openalex.org/W2113330799
- https://openalex.org/W2124209259
- https://openalex.org/W2183747110
- https://openalex.org/W2214833302
- https://openalex.org/W2214990244
- https://openalex.org/W2276459177
- https://openalex.org/W2514833396
- https://openalex.org/W2521838178
- https://openalex.org/W2522952059
- https://openalex.org/W2780332955
- https://openalex.org/W2889083035
- https://openalex.org/W2907689776
- https://openalex.org/W2914481660
- https://openalex.org/W2953939087
- https://openalex.org/W3089635887
- https://openalex.org/W3093163314
- https://openalex.org/W3107776317
- https://openalex.org/W3128307673
- https://openalex.org/W3128842938
- https://openalex.org/W3148652642
- https://openalex.org/W3194940076
- https://openalex.org/W3210045087
- https://openalex.org/W4207026412
- https://openalex.org/W4210481318
- https://openalex.org/W4220766017
- https://openalex.org/W4220802878
- https://openalex.org/W4243685346
- https://openalex.org/W4281610214
- https://openalex.org/W4286207162
- https://openalex.org/W4288081260
- https://openalex.org/W4313254839
- https://openalex.org/W4319007845
- https://openalex.org/W4321460061
- https://openalex.org/W4327618229
- https://openalex.org/W4327768448
- https://openalex.org/W4379058318
- https://openalex.org/W4379232120
- https://openalex.org/W4382698774
- https://openalex.org/W4384938209
- https://openalex.org/W4385066498
- https://openalex.org/W4386308495
- https://openalex.org/W4386387377
- https://openalex.org/W4386579284
- https://openalex.org/W4387653099
- https://openalex.org/W4387710292