Please use this identifier to cite or link to this item: https://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/82898
Title: Effect of electric field on molecular and electronic structures of graphene with 4N-divacancy defect and application on hydrogen gas storage
Other Titles: ผลของสนามไฟฟ้าต่อโครงสร้างโมเลกุลและอิเล็กตรอนของแกรฟีนที่มีความบกพร่องโฟร์เอ็น-ไดวาแคนซีและการประยุกต์ด้านกักเก็บแก๊สไฮโดรเจน
Authors: Thanawit Kuamit
Advisors: Vudhichai Parasuk
Other author: Chulalongkorn University. Faculty of Sciences
Issue Date: 2021
Publisher: Chulalongkorn University
Abstract: The effect of external electric fields (EEFs) on geometries and electronic properties of graphene quantum dots (GQDs) and m-4N-divacancy defect GQDs (m-4N-GQDs) was studied using density functional theory (DFT) method with M06-2x functional and 6-31g (d) basis set. An external electric field with strength ranging from -0.035 to 0.035 atomic units (a.u.) was applied normal to the molecular plane. Three different sizes, i.e., C24H12, C54H18, and C96H24, were investigated. The metal doping in m-4N-GQDs consists of Ca, Ca2+, Cr, Cr2+, Fe, and Fe2+. Our results revealed that GQDs and m-4N-GQDs are curved under EEFs in the direction opposite to the applied field. The curvature of the GQDs and m-4N-GQDs is directly proportional to the electric field strength. The curvature of GQDs is in the following order: C96H24 > C54H18 > C24H12. The HOMO-LUMO gap depends on both size and EEFs. HOMO-LUMO gaps of C24H12, C54H18, and C96H24 are 5.87-5.90, 3.98-4.43, and 2.43-3.31 eV, respectively. In addition, the gap varies with the metal doping and the order is as following: Cr ≈ Fe > Ca > Ca2+ > Cr2+ ≈ Fe2+. The HOMO-LUMO gap of m-4N-GQDs are in ranges from 1.38 to 2.98 eV. We also found the HOMO-LUMO gap to be decreased with the increase of the curvature. Therefore, the electronic properties of curved GQDs and m-4N-GQDs could be modified through EEFs. Moreover, the adsorption energies of H2 on Fe2+-4N-GQDs with different degrees of curvature and H2 adsorption positions, inside or outside, of curved Fe2+-4N-GQDs were studied. It was found that the molecular H2 prefers to adsorb outside of curved Fe2+-4N-GQDs, which have a distance between Fe2+ and H2 at 3.0 – 3.5 Å (-2.03 to -0.38 kcal/mol). The adsorption energy at outside H2 adsorption is directly related to the electric field strength, while inside H2 adsorption is similar. The curved Fe2+-4N-GQDs could control molecular H2 adsorption. The curved Fe2+-4N-GQDs can be applied for hydrogen gas storage.
Other Abstract: งานวิจัยนี้ได้ศึกษาผลกระทบของสนามไฟฟ้าภายนอก (External Electric Fields, EEFs) ต่อโครงสร้างและสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของแกรฟีนควอนตัมดอท (GQDs) และ แกรฟีนควอนตัมดอท ที่มีความบกพร่องชนิดโฟร์เอ็น-ไดวาแคนซี ที่เจือด้วยโลหะ (m-4N-GQDs) โดยวิธีทฤษฎีความหนาแน่น (Density Functional Theory, DFT) ด้วยฟังก์ชันนัล M06-2x และเบซิสเซท 6-31g (d) ในการศึกษานี้ทำภายใต้ช่วงสนามไฟฟ้าตั้งแต่ -0.035 ถึง 0.035 หน่วยอะตอม (atomic units, a.u.) โดยศึกษา GQDs ที่มีขนาดต่างกันสามขนาดได้แก่ C24H12, C54H18, และ C96H24 และโลหะที่เจือใน 4N-GQDs ประกอบด้วย Ca, Ca2+, Cr, Cr2+ ,Fe และ Fe2+ ผลการศึกษายังเปิดเผยว่าความโค้งของ GQDs และ m-4N-GQDs ภายใต้สนามไฟฟ้าในทิศทางบวกและลบเป็นในทิศทางตรงข้ามกัน  อีกทั้งความโค้งของ GQDs และ m-4N-GQDs เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแรงของสนามไฟฟ้า โดยเรียงลำดับตามความโค้งของ GQDs ได้ดังนี้ C96H24  > C54H18 > C24H12 ช่องว่าง HOMO-LUMO ขึ้นอยู่กับทั้งขนาดและสนามไฟฟ้า ช่องว่าง HOMO-LUMO ของ C24H12, C54H18 และ C96H24 คือ 5.87-5.90, 3.98-4.43 และ 2.43-3.31 eV ตามลำดับ นอกจากนี้ช่องว่างจะแตกต่างกันไปตามโลหะที่เจือใน 4N-GQDs เรียงลำดับดังนี้: Cr ≈ Fe > Ca > Ca2+ > Cr2+ ≈ Fe2+ ซึ่งช่องว่าง HOMO-LUMO อยู่ในช่วง 1.38 ถึง 2.98 eV นอกจากนี้เรายังพบว่าช่องว่าง HOMO-LUMO จะลดลงเมื่อมีความโค้งเพิ่มขึ้น ดังนั้นสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของ GQDs และ m-4N-GQDs แบบโค้งสามารถปรับเปลี่ยนได้โดยใช้สนามไฟฟ้า พิจารณาพลังงานการดูดซับของ H2 บน Fe2+-4N-GQDs ที่มีองศาความโค้งและตำแหน่งการดูดซับ H2 ที่แตกต่างกันทั้งภายในและภายนอกโค้งของ Fe2+-4N-GQDs พบว่าโมเลกุล H2 ชอบดูดซับภายนอกโค้งของ Fe2+-4N-GQDs โดยมีระยะห่างระหว่าง Fe2+ และ H2 ที่ 3.0 – 3.5 Å (-2.03 ถึง -0.38 กิโลแคลอรี่/โมล) พลังงานการดูดซับ H2 ในกรณีดูดซับภายนอกโค้งสัมพันธ์โดยตรงกับความแรงของสนามไฟฟ้า ในขณะที่ในกรณีดูดซับภายในโค้ง ค่าพลังงานดูดซับ H2 มีค่าใกล้คียงกันกันไม่ขึ้นกับความแรงสนาม ดังนั้นการดูดซับ H2 โมเลกุลสามารถถูกควบคุมด้วยความโค้งของ Fe2+-4N-GQDs เราจึงสามารถใช้ Fe2+-4N-GQDs แบบโค้งสำหรับการจัดเก็บก๊าซไฮโดรเจนได้
Description: Thesis (Ph.D.)--Chulalongkorn University, 2021
Degree Name: Doctor of Philosophy
Degree Level: Doctoral Degree
Degree Discipline: Chemistry
URI: https://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/82898
URI: http://doi.org/10.58837/CHULA.THE.2021.83
metadata.dc.identifier.DOI: 10.58837/CHULA.THE.2021.83
Type: Thesis
Appears in Collections:Sci - Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
6072806023.pdf4.81 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.