Published November 1, 2023 | Version v1
Publication Open

Single-atoms (N, P, S) encapsulation of Ni-doped graphene/PEDOT hybrid materials as sensors for H2S gas applications: intuition from computational study

Creators

  • 1. University of Calabar
  • 2. Jaramogi Oginga Odinga University of Science and Technology

Description

Abstract This comprehensive study was dedicated to augmenting the sensing capabilities of Ni@GP_PEDOT@H 2 S through the strategic functionalization with nitrogen, phosphorus, and sulfur heteroatoms. Governed by density functional theory (DFT) computations at the gd3bj-B3LYP/def2svp level of theory, the investigation meticulously assessed the performance efficacy of electronically tailored nanocomposites in detecting H 2 S gas—a corrosive byproduct generated by sulfate reducing bacteria (SRB), bearing latent threats to infrastructure integrity especially in the oil and gas industry. Impressively, the analysed systems, comprising Ni@GP_PEDOT@H 2 S, N_Ni@GP_PEDOT@H 2 S, P_Ni@GP_PEDOT@H 2 S, and S_Ni@GP_PEDOT@H 2 S, unveiled both structural and electronic properties of noteworthy distinction, thereby substantiating their heightened reactivity. Results of adsorption studies revealed distinct adsorption energies (− 13.0887, − 10.1771, − 16.8166, and − 14.0955 eV) associated respectively with N_Ni@GP_PEDOT@H 2 S, P_Ni@GP_PEDOT@H 2 S, S_Ni@GP_PEDOT@H 2 S, and Ni@GP_PEDOT systems. These disparities vividly underscored the diverse strengths of the adsorbed H 2 S on the surfaces, significantly accentuating the robustness of S_Ni@GP_PEDOT@H 2 S as a premier adsorbent, fuelled by the notably strong sulfur-surface interactions. Fascinatingly, the sensor descriptor findings unveiled multifaceted facets pivotal for H 2 S detection. Ultimately, molecular dynamic simulations corroborated the cumulative findings, collectively underscoring the pivotal significance of this study in propelling the domain of H 2 S gas detection and sensor device innovation.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

ملخص تم تخصيص هذه الدراسة الشاملة لزيادة قدرات الاستشعار لدى Ni@GP_PEDOT@H 2 S من خلال التنشيط الاستراتيجي مع الذرات غير المتجانسة من النيتروجين والفوسفور والكبريت. استنادًا إلى حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) على مستوى نظرية gd3bj - B3LYP/def2svp، قيم التحقيق بدقة فعالية أداء المركبات النانوية المصممة إلكترونيًا في الكشف عن غاز H 2 S - وهو منتج ثانوي أكال ناتج عن بكتيريا اختزال الكبريتات (SRB)، مما يحمل تهديدات كامنة لسلامة البنية التحتية خاصة في صناعة النفط والغاز. ومن المثير للإعجاب أن الأنظمة التي تم تحليلها، والتي تتألف من Ni@GP_PEDOT @ H 2 S و N_Ni@GP_PEDOT@H 2 S و P_Ni@GP_PEDOT@H 2 S و S_Ni@GP_PEDOT@H 2 S، كشفت عن كل من الخصائص الهيكلية والإلكترونية للتمييز الجدير بالملاحظة، وبالتالي إثبات تفاعلها المتزايد. كشفت نتائج دراسات الامتزاز عن طاقات امتزاز متميزة (- 13.0887، - 10.1771، - 16.8166، - 14.0955 إلكترون فولت) مرتبطة على التوالي بأنظمة N_Ni@GP_PEDOT@H 2 S، P_Ni @ GP_PEDOT @ H 2 S، S_Ni @ GP_PEDOT @ H 2 S، وNi @ GP_PEDOT@H 2 S، وNi@GP_PEDOT. أكدت هذه التفاوتات بوضوح على نقاط القوة المتنوعة لغاز H 2 S الممتز على الأسطح، مما يبرز بشكل كبير متانة S_Ni@GP_PEDOT@H 2 S كممتص رئيسي، تغذيه التفاعلات القوية بشكل ملحوظ بين الكبريت والسطح. بشكل رائع، كشفت نتائج واصف المستشعر عن جوانب متعددة الأوجه محورية للكشف عن كبريتيد الهيدروجين. في نهاية المطاف، أكدت المحاكاة الديناميكية الجزيئية النتائج التراكمية، مما يؤكد بشكل جماعي على الأهمية المحورية لهذه الدراسة في دفع مجال اكتشاف غاز كبريتيد الهيدروجين وابتكار أجهزة الاستشعار.

Translated Description (French)

Résumé Cette étude approfondie a été consacrée à l'augmentation des capacités de détection de Ni@GP_PEDOT@H 2 S grâce à la fonctionnalisation stratégique avec des hétéroatomes d'azote, de phosphore et de soufre. Régie par des calculs de théorie fonctionnelle de la densité (DFT) au niveau de la théorie gd3bj-B3LYP/def2svp, l'enquête a méticuleusement évalué l'efficacité des performances des nanocomposites sur mesure électroniquement dans la détection du gaz H 2 S - un sous-produit corrosif généré par les bactéries réductrices de sulfate (SRB), portant des menaces latentes à l'intégrité de l'infrastructure, en particulier dans l'industrie pétrolière et gazière. De manière impressionnante, les systèmes analysés, comprenant Ni@GP_PEDOT@H 2 S, N_Ni@GP_PEDOT@H 2 S, P_Ni@GP_PEDOT@H 2 S et S_Ni@GP_PEDOT@H 2 S, ont dévoilé des propriétés structurelles et électroniques remarquables, justifiant ainsi leur réactivité accrue. Les résultats des études d'adsorption ont révélé des énergies d'adsorption distinctes (− 13,0887, − 10,1771, − 16,8166 et − 14,0955 eV) associées respectivement aux systèmes N_Ni@GP_PEDOT@H 2 S, P_Ni@GP_PEDOT@H 2 S, S_Ni@GP_PEDOT@H 2 S et Ni@GP_PEDOT. Ces disparités soulignent de manière frappante les diverses forces de l'H 2 S adsorbé sur les surfaces, accentuant de manière significative la robustesse de S_Ni@GP_PEDOT@H 2 S en tant qu'adsorbant de premier plan, alimenté par les interactions soufre-surface particulièrement fortes. Fait fascinant, les résultats du descripteur de capteur ont dévoilé des facettes à multiples facettes essentielles pour la détection de H 2 S. En fin de compte, les simulations dynamiques moléculaires ont corroboré les résultats cumulés, soulignant collectivement l'importance cruciale de cette étude pour propulser le domaine de la détection des gaz H 2 S et de l'innovation des dispositifs de détection.

Translated Description (Spanish)

Resumen Este estudio exhaustivo se dedicó a aumentar las capacidades de detección de Ni@GP_PEDOT@H 2 S a través de la funcionalización estratégica con heteroátomos de nitrógeno, fósforo y azufre. Gobernada por los cálculos de la teoría funcional de densidad (DFT) en el nivel teórico gd3bj-B3LYP/def2svp, la investigación evaluó meticulosamente la eficacia del rendimiento de los nanocompuestos adaptados electrónicamente para detectar el gas H 2 S, un subproducto corrosivo generado por las bacterias reductoras de sulfato (SRB), que presenta amenazas latentes para la integridad de la infraestructura, especialmente en la industria del petróleo y el gas. Sorprendentemente, los sistemas analizados, que comprenden Ni@GP_PEDOT@H 2 S, N_Ni@GP_PEDOT@H 2 S, P_Ni@GP_PEDOT@H 2 S y S_Ni@GP_PEDOT@H 2 S, revelaron propiedades estructurales y electrónicas de notable distinción, lo que corrobora su mayor reactividad. Los resultados de los estudios de adsorción revelaron distintas energías de adsorción (− 13.0887, − 10.1771, − 16.8166 y − 14.0955 eV) asociadas respectivamente con los sistemas N_Ni@GP_PEDOT@H 2 S, P_Ni@GP_PEDOT@H 2 S, S_Ni@GP_PEDOT@H 2 S y Ni@GP_PEDOT. Estas disparidades subrayaron vívidamente las diversas fortalezas del H 2 S adsorbido en las superficies, acentuando significativamente la robustez de S_Ni@GP_PEDOT@H 2 S como adsorbente principal, impulsado por las interacciones notablemente fuertes entre el azufre y la superficie. Curiosamente, los hallazgos del descriptor del sensor revelaron facetas multifacéticas fundamentales para la detección de H 2 S. En última instancia, las simulaciones de dinámica molecular corroboraron los hallazgos acumulados, lo que subraya colectivamente la importancia fundamental de este estudio para impulsar el dominio de la detección de gases H 2 S y la innovación de dispositivos sensores.

Files

s41598-023-46153-5.pdf.pdf

Files (4.6 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:f0a976eaecac64d1472d27af72ddcff0
4.6 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تغليف الذرات المفردة (N، P، S) للمواد الهجينة من الجرافين المشبع بالنيكل/PEDOT كمستشعرات لتطبيقات غاز كبريتيد الهيدروجين: الحدس من الدراسة الحسابية
Translated title (French)
Encapsulation d'atomes uniques (N, P, S) de matériaux hybrides graphène/PEDOT dopés au Ni en tant que capteurs pour des applications de gaz H2S : intuition à partir d'une étude computationnelle
Translated title (Spanish)
Encapsulación de átomos individuales (N, P, S) de materiales híbridos de grafeno dopado con Ni/PEDOT como sensores para aplicaciones de gas H2S: intuición a partir del estudio computacional

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4388125335
DOI
10.1038/s41598-023-46153-5

Is supplement to
https://openalex.org/W4245184041 (Other)
https://openalex.org/W3216764595 (Other)
https://openalex.org/W3198116801 (Other)
https://openalex.org/W3149043614 (Other)
https://openalex.org/W3022355259 (Other)
https://openalex.org/W2964422585 (Other)
https://openalex.org/W2496188727 (Other)
https://openalex.org/W2059440951 (Other)
https://openalex.org/W2036956123 (Other)
https://openalex.org/W1575852573 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Nigeria

References

  • https://openalex.org/W1968642986
  • https://openalex.org/W1973761570
  • https://openalex.org/W1975781540
  • https://openalex.org/W1982170357
  • https://openalex.org/W1995725502
  • https://openalex.org/W2002169324
  • https://openalex.org/W2002651440
  • https://openalex.org/W2004076721
  • https://openalex.org/W2029667189
  • https://openalex.org/W2050378309
  • https://openalex.org/W2063604523
  • https://openalex.org/W2071687155
  • https://openalex.org/W2072976119
  • https://openalex.org/W2073788155
  • https://openalex.org/W2091019031
  • https://openalex.org/W2110390206
  • https://openalex.org/W2120246951
  • https://openalex.org/W2132525235
  • https://openalex.org/W2147256331
  • https://openalex.org/W2267830015
  • https://openalex.org/W2314597575
  • https://openalex.org/W2328419438
  • https://openalex.org/W2605389630
  • https://openalex.org/W2727876304
  • https://openalex.org/W2750383406
  • https://openalex.org/W2760260346
  • https://openalex.org/W2903304490
  • https://openalex.org/W2969945299
  • https://openalex.org/W3010611687
  • https://openalex.org/W3042492481
  • https://openalex.org/W3043017280
  • https://openalex.org/W3043897368
  • https://openalex.org/W3083707627
  • https://openalex.org/W3085699427
  • https://openalex.org/W3110813928
  • https://openalex.org/W3121893170
  • https://openalex.org/W3123566619
  • https://openalex.org/W3141547666
  • https://openalex.org/W3173341821
  • https://openalex.org/W3177927508
  • https://openalex.org/W3187671083
  • https://openalex.org/W3193363310
  • https://openalex.org/W3198287165
  • https://openalex.org/W3207544177
  • https://openalex.org/W3213769887
  • https://openalex.org/W4281645297
  • https://openalex.org/W4284896541
  • https://openalex.org/W4285163542
  • https://openalex.org/W4289938101
  • https://openalex.org/W4291115893
  • https://openalex.org/W4293695513
  • https://openalex.org/W4295215071
  • https://openalex.org/W4296005338
  • https://openalex.org/W4296344387
  • https://openalex.org/W4297121133
  • https://openalex.org/W4306644301
  • https://openalex.org/W4308122656
  • https://openalex.org/W4308232469
  • https://openalex.org/W4308548610
  • https://openalex.org/W4308661155
  • https://openalex.org/W4310087103
  • https://openalex.org/W4314447462
  • https://openalex.org/W4321015963
  • https://openalex.org/W4321079087
  • https://openalex.org/W4321366805
  • https://openalex.org/W4321435555
  • https://openalex.org/W4322505522
  • https://openalex.org/W4323349789
  • https://openalex.org/W4323671159
  • https://openalex.org/W4372311230
  • https://openalex.org/W4375929984
  • https://openalex.org/W4376128726
  • https://openalex.org/W4376609749
  • https://openalex.org/W4376619213
  • https://openalex.org/W4376621631
  • https://openalex.org/W4377195346
  • https://openalex.org/W4377969031
  • https://openalex.org/W4378902183
  • https://openalex.org/W4379056288
  • https://openalex.org/W4380478906
  • https://openalex.org/W4381887898
  • https://openalex.org/W4382398311
  • https://openalex.org/W4385393974
  • https://openalex.org/W4386024627
  • https://openalex.org/W4386144558
  • https://openalex.org/W4387157958