Adsorption of Co, Ni, Cu, Zn Metal Ions on Fullerene C60 and on Single-Wall Carbon Nanotubes C48 as a Driven Force of Composite Coatings’ Electrodeposition
Loading...
Date
2021
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Oles Honchar Dnipro National University
Abstract
EN: Composite electrodeposited films fabricated from aqueous solution of electrolytes that contain ions of metals along with carbon nanomaterial particles such as fullerene C60 were investigated. Results for the cathodic polarization curve showed an increase in charge-transfer resistance. Phase composition analysis for metal films revealed the presence of carbon nanoparticles (CNPs) inside the metal matrix and significant changes in the crystal lattice. As it shown on microphotographies, addition of CNPs changes columnar growth patterns of metallic films to microlayered structure due to passivation of the surface. Density Functional Theory was used for calculation of thermochemical, electronic and structural properties of metal ions complexes with CNPs. Calculated binding energies of the CNPs-Me2+ complexes suggests that an adsorption of Co2+, Ni2+, Cu2+, and Zn2+ ions on the surface of fullerene C60 and SWNT C48 is possible and thermodynamically favorable. Binding affinity was found to be significantly stronger when the metal ion was adsorbed onto a surface of SWNT C48, than adsorption to the fullerene C60. With Cu2+ complexes being the most thermodynamically stable, binding affinities were increasing in a row Co2+<Zn2+<Ni2+<Cu2+. Calculated free binding energies showed a good correlation with the band gap, distances between metal ion and a surface of CNPs, dipole moments, delocalization of natural bond orbital (NBO) charges, and second ionization potential of metal ions.
UK: Досліджено композиційні плівки, осаджені у водних розчинах електролітів, що містять іони металів і частинки вуглецевих наноматеріалів, таких як фулерен C60. Результати дослідження катодних поляризаційних кривих показали збільшення опору переносу заряду. Аналіз фазового складу металевих плівок показав наявність вуглецевих наночастинок (ВНЧ) всередині металевої матриці і значні зміни у кристалічній решітці. З результатів дослідження мікрофотографій слідує, що додавання ВНЧ змінює структуру росту металевих плівок від стовбчатої до мікрошаруватої через пасивацію поверхні. У даній роботі теорія функціонала густини (ТФГ) була використана для розрахунку термохімічних, електронних і структурних властивостей комплексів іонів металів з ВНЧ. Результати розрахунків енергії зв'язку комплексів ВНЧ- Me2+ дозволяють припустити, що адсорбція іонів Co2+, Ni2+, Cu2+ та Zn2+ на поверхні фулерену C60 і одностінної вуглецевої нанотрубки (ОВНТ) C48 можлива і термодинамічно вигідна. Було виявлено, що енергія зв'язку більша у разі адсорбції іона металу на поверхні ОВНТ C48, у порівнянні з адсорбцією на фулерені C60. Оскільки комплекси Cu2+ були найбільш термодинамічно стабільними, енергія зв'язку зростала у такій послідовності Co2+<Zn2+<Ni2+<Cu2+. Результати розрахунків вільної енергії зв'язку показали хорошу кореляцію з шириною забороненої зони, відстанями між іоном металу і поверхнею ВНЧ, дипольними моментами, делокализацією заряду у методі природних орбіталей (МПO) і другим потенціалом іонізації іонів металів.
RU: Исследованы композиционные пленки, осажденные из водных растворов электролитов, содержащих ионы металлов и частицы углеродных наноматериалов, таких как фуллерен C60. Результаты исследования катодных поляризационных кривых показали увеличение сопротивления переноса заряда. Анализ фазового состава металлических пленок показал наличие углеродных наночастиц (УНЧ) внутри металлической матрицы и значительные изменения в кристаллической решетке. Из результатов исследования микрофотографий следует, что добавление УНЧ изменяет структуру роста металлических пленок от столбчатой к микрослоистой из-за пассивации поверхности. В данной работе теория функционала плотности (ТФП) была использована для расчета термохимических, электронных и структурных свойств комплексов ионов металлов с УНЧ. Результаты расчетов энергии связи комплексов УНЧ-Me2+ позволяют предположить, что адсорбция ионов Co2+, Ni2+, Cu2+ и Zn2+ на поверхности фуллерена C60 и одностенной углеродной нанотрубки (ОУНТ) C48 возможна и термодинамически выгодна. Было обнаружено, что энергия связи больше в случае адсорбции иона металла на поверхности ОУНТ C48, в сравнении с адсорбцией на фуллерене C60. Поскольку комплексы Cu2+ были наиболее термодинамически стабильными, энергия связи возрастала в такой последовательности Co2+ < Zn2+<Ni2+< Cu2+. Результаты расчетов свободной энергии связи показали хорошую корреляцию с шириной запрещенной зоны, расстояниями между ионом металла и поверхностью УНЧ, дипольными моментами, делокализацией заряда в методе естественных орбиталей (МЕO) и вторым потенциалом ионизации ионов металлов.
UK: Досліджено композиційні плівки, осаджені у водних розчинах електролітів, що містять іони металів і частинки вуглецевих наноматеріалів, таких як фулерен C60. Результати дослідження катодних поляризаційних кривих показали збільшення опору переносу заряду. Аналіз фазового складу металевих плівок показав наявність вуглецевих наночастинок (ВНЧ) всередині металевої матриці і значні зміни у кристалічній решітці. З результатів дослідження мікрофотографій слідує, що додавання ВНЧ змінює структуру росту металевих плівок від стовбчатої до мікрошаруватої через пасивацію поверхні. У даній роботі теорія функціонала густини (ТФГ) була використана для розрахунку термохімічних, електронних і структурних властивостей комплексів іонів металів з ВНЧ. Результати розрахунків енергії зв'язку комплексів ВНЧ- Me2+ дозволяють припустити, що адсорбція іонів Co2+, Ni2+, Cu2+ та Zn2+ на поверхні фулерену C60 і одностінної вуглецевої нанотрубки (ОВНТ) C48 можлива і термодинамічно вигідна. Було виявлено, що енергія зв'язку більша у разі адсорбції іона металу на поверхні ОВНТ C48, у порівнянні з адсорбцією на фулерені C60. Оскільки комплекси Cu2+ були найбільш термодинамічно стабільними, енергія зв'язку зростала у такій послідовності Co2+<Zn2+<Ni2+<Cu2+. Результати розрахунків вільної енергії зв'язку показали хорошу кореляцію з шириною забороненої зони, відстанями між іоном металу і поверхнею ВНЧ, дипольними моментами, делокализацією заряду у методі природних орбіталей (МПO) і другим потенціалом іонізації іонів металів.
RU: Исследованы композиционные пленки, осажденные из водных растворов электролитов, содержащих ионы металлов и частицы углеродных наноматериалов, таких как фуллерен C60. Результаты исследования катодных поляризационных кривых показали увеличение сопротивления переноса заряда. Анализ фазового состава металлических пленок показал наличие углеродных наночастиц (УНЧ) внутри металлической матрицы и значительные изменения в кристаллической решетке. Из результатов исследования микрофотографий следует, что добавление УНЧ изменяет структуру роста металлических пленок от столбчатой к микрослоистой из-за пассивации поверхности. В данной работе теория функционала плотности (ТФП) была использована для расчета термохимических, электронных и структурных свойств комплексов ионов металлов с УНЧ. Результаты расчетов энергии связи комплексов УНЧ-Me2+ позволяют предположить, что адсорбция ионов Co2+, Ni2+, Cu2+ и Zn2+ на поверхности фуллерена C60 и одностенной углеродной нанотрубки (ОУНТ) C48 возможна и термодинамически выгодна. Было обнаружено, что энергия связи больше в случае адсорбции иона металла на поверхности ОУНТ C48, в сравнении с адсорбцией на фуллерене C60. Поскольку комплексы Cu2+ были наиболее термодинамически стабильными, энергия связи возрастала в такой последовательности Co2+ < Zn2+<Ni2+< Cu2+. Результаты расчетов свободной энергии связи показали хорошую корреляцию с шириной запрещенной зоны, расстояниями между ионом металла и поверхностью УНЧ, дипольными моментами, делокализацией заряда в методе естественных орбиталей (МЕO) и вторым потенциалом ионизации ионов металлов.
Description
V. Tytarenko: ORCID 0000-0001-6695-9810; E. Shtapenko: ORCID 0000-0001-7046-3578; E. Voronkov: ORCID 0000-0003-4908-7496; V. Zabludovsky: ORCID 0000-0001-9930-2356; W. Kolodziejczyk: ORCID 0000-0002-7754-8969; K. Kapusta: ORCID 0000-0001-8466-4098; S. Okovytyy: ORCID 0000-0003-4367-1309
Keywords
electrodeposition, composite materials, transition metals, carbon nanoparticles, DFT, електроосадження, композиційні матеріали, перехідні метали, вуглецеві наночастинки, ТФГ, электроосаждение, композиционные материалы, переходные металлы, углеродные наночастицы, ТФП, КФ
Citation
Tytarenko V.V., Shtapenko E.Ph., Voronkov E.O., Vangara Aruna, Zabludovsky V. A., Kolodziejczyk Wojciech, Kapusta Karina, Okovytyy S. I. Adsorption of Co, Ni, Cu, Zn Metal Ions on Fullerene C60 and on Single-Wall Carbon Nanotubes C48 as a Driven Force of Composite Coatings’ Electrodeposition. Journal of Chemistry and Technologies. 2021. Vol. 29, Iss. 1. P. 42–54. DOI: 10.15421/082108.