Himičeskaâ fizikaHimičeskaâ fizikaХимическая физика0207-401XThe Russian Academy of Sciences67487510.31857/S0207401X23040027MUUHYEСТРОЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, КВАНТОВАЯ ХИМИЯ, СПЕКТРОСКОПИЯСтроение химических соединений, квантовая химия, спектроскопияUnknownMolecular Modeling of the Interaction of a Cluster of Chromium-Containing Polyacrylonitrile with Pollutant GasesМолекулярное моделирование взаимодействия кластера хромсодержащего полиакрилонитрила с газами-поллютантамиAvilovaM. M.АвиловаМ. М.olvp2808@rambler.ruZolotarevaN. V.ЗолотарёваН. В.olvp2808@rambler.ruPopovaO. V.ПоповаО. В.olvp2808@rambler.ruDon State Technical UniversityДонской государственный технический университетAstrakhan State UniversityАстраханский государственный университет01042023424121928022025Copyright ©; 2023, М.М. Авилова, Н.В. Золотарёва, О.В. ПоповаCopyright ©; 2023, М.М. Авилова, Н.В. Золотарёва, О.В. Попова2023М.М. Авилова, Н.В. Золотарёва, О.В. ПоповаМ.М. Авилова, Н.В. Золотарёва, О.В. Поповаhttps://transsyst.ru/0207-401X/article/view/674875

The possibility of the adsorption of priority pollutant gases (nitrogen dioxide, methane, ammonia, sulfur oxide (II), hydrogen sulfide, ozone, carbon monoxide, carbon monoxide (II), chlorine) on the surface of chromium-containing pyrolyzed polyacrylonitrile (pPAN) is evaluated. A model of a cluster of chromium-containing pPAN (Cr-PAN) is constructed. The thermodynamic parameters of the following systems are determined by the method of molecular modeling and compared: Cr-pPAN cluster–gas molecule, Cr-pPAN cluster–oxygen molecule, Cr-pPAN cluster–water molecule, Cr-PAN cluster–oxygen molecule–gas molecule, and Cr–pPAN cluster–water molecule–gas molecule. The effect of a water molecule on the process of adsorption of pollutant gases on the surface of a Cr–PAN cluster and the absence of an effect of an oxygen molecule located in the immediate vicinity of the clusters are revealed. It is established that Cr-pPAN has the property of selective adsorption of the following gases: nitrogen dioxide, chlorine, and ammonia. Within the density functional theory (DFT), the force parameters of the Cr–pPAN structure are estimated and the increase in the contact surface zone upon the introduction of a Cr2O3 molecule is confirmed.

Оценена возможность адсорбции приоритетных газов-поллютантов (диоксида азота, метана, аммиака, оксида серы (II), сероводорода, озона, монооксида углерода, оксида углерода (II), хлора) на поверхности хромсодержащего пиролизованного полиакрилонитрила (пПАН). Построена модель кластера хромсодержащего пПАН (Cr–ПАН). Методом молекулярного моделирования в работе определены термодинамические показатели систем “кластер Cr–пПАН – молекула газа”, “кластер Cr–пПАН – молекула кислорода”, “кластер Cr–пПАН – молекула воды”, “кластер Cr–ПАН – молекула кислорода” – молекула газа, кластер Cr–пПАН – молекула воды – молекула газа и проведено их сравнение. Выявлены влияние молекулы воды на процесс адсорбции газов-поллютантов на поверхности кластера Cr–ПАН и отсутствие влияния молекулы кислорода, находящихся в непосредственной близости от кластеров. Установлено, что Cr–пПАН обладает свойством селективной адсорбции следующих газов: диоксида азота, хлора и аммиака. В рамках теории функционала плотности оценены силовые параметры структуры Cr–пПАН и подтверждено увеличение зоны контактной поверхности при внедрении в нее молекулы Cr2O3.

polyacrylonitrilechromium-containing polyacrylonitrilequantum chemical modelmolecular modelingcontact surfaceHartree–Fock energyполиакрилонитрилхромсодержащий полиакрилонитрилквантовохимическая модельмолекулярное моделированиеконтактная поверхностьэнергия Хартри–Фока.Ke F., Zhang Q., Ji L. et al. // Compos. Commun. 2021. V. 27. 100817; https://doi.org/10.1016/j.coco.2021.100817Герасимов Г.Н., Громов В.Ф., Иким М.И., Трахтенберг Л.И. // Хим. физика. 2021. V. 40. № 11. P. 65; https://doi.org/10.31857/S0207401X21110030Боднева В.Л., Кожушнер М.А., Посвянский В.С., Трахтенберг Л.И. // Хим. физика. 2019. V. 38. № 1. P. 75; https://doi.org/10.1134/S0207401X19010060Wang W., Zheng Y., Jin X. et al. // Nano Energy. 2019. V. 56. P. 588; https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.11.082Efimov M.N., Sosenkin V.E., Volfkovich Yu.M. et al. // Electrochem. Commun. 2018. V. 96. P. 98; https://doi.org/10.1016/j.elecom.2018.10.016Imanian Z., Hormozi F., Torab-Mostaedi M., Asadollahzadeh M. // Sep. Purif. Technol. 2022. V. 289. 120749; https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.120749Kozlov V.V., Karpacheva G.P., Petrov V.S., Lazovskaya E.V. // Polym. Sci., Ser. A. 2001. V. 43. P. 20.Laffont L., Monthioux M., Serin V. et al. // Carbon. 2004. V. 42. P. 2485; https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.04.043Yoshida H., Sato N. // Rus. J. Phys. Chem. A. 2006. V. 110. P. 4232; https://doi.org/10.1021/jp0546397Kozlov V.V., Kozhitov L.V., Kostishyn V.G. et al. // IOP Conf. Ser: Mater. Sci. Eng. 2009. V. 5. 012021; https://doi.org/10.1088/1757-899X/5/1/012021Merdrignac-Conanec O., Bernicot Y., Guyader J. // Sens. Actuators, B. 2000. V. 63. P. 86; https://doi.org/10.1016/S0925-4005(00)00302-6Ghorpade R.V., Cho D.W., Hong S.C. // Carbon. 2017. V. 121. P. 502; https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.06.015Kim Ye-Na, Park Eun-Young, Lee Deuk Yong // J. Korean Ceram. Soc. 2007. V. 44. P. 194; https://doi.org/10.4191/kcers.2007.44.4.194Ерёмин В.С., Бронштейн Л.М., Дьячкова В.П. и др. // Высокомолекуляр. соединения. А. 1993. Т. 35. № 4. С. 450.Солодовников С.П., Бронштейн Л.М., Логинова Т.П. и др. // Высокомолекуляр. соединения. Б. 1993. Т. 35. № 1. С. 26.Авилова М.М., Марьева Е.А., Попова О.В., Финоченко Т.А. // ЖФХ. 2020. Т. 94. № 6. С. 898; https://doi.org/10.31857/S0044453720060047Авилова М.М., Марьева Е.А., Попова О.В., Иванова Т.Г. // Изв. вузов. Химия и химическая технология. 2020. Т. 63. № 4. С. 49; https://doi.org/10.6060/ivkkt.20206304.6008Авилова М.М., Петров В.В. // Хим. физика. 2018. Т. 37. № 4. С. 69; https://doi.org/10.7868/S0207401X18040088Авилова М.М., Петров В.В. // Хим. физика. 2017. Т. 36. № 7. С. 90; https://doi.org/10.7868/S0207401X17070020Avilova M.M., Petrov V.V. // Chemosensors. 2018. V. 6. № 3. P. 39; https://doi.org/10.3390/chemosensors6030039Gupta A.K., Paliwal D.K., Bajaj P. // J. Appl. Polym. Sci. 1995. V. 58. № 7. P. 1161; https://doi.org/10.1002/app.1995.070580710Surianarayanan M., Vijayaraghavan R., Raghavan K.V. // J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1998. V. 36. № 14. P. 2503; https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-0518(199810)36: 14<2503::AID-POLA9>3.0.CO;2-TAllinger N.L. // J. Amer. Chem. Soc. 1977. V. 99. № 2). P. 8127; https://doi.org/10.1021/ja00467a001Stewart J.J.P. // J. Mol. Modeling. 2013. V. 19. № 1. P. 1; https://doi.org/10.1007/s00894-012-1667-xKlamt A., Schuurmann G. // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. 1993. № 5. P. 799; https://doi.org/10.1039/P29930000799Pritchard B.P., Altarawy D., Didier B. et al. // J. Chem. Inf. Model. 2019. V. 59. № 11. P. 4814; https://doi.org/10.1021/acs.jcim.9b00725Anandan K., Rajendran V. // Mater. Lett. 2015. V. 146. P. 99; https://doi.org/10.1016/j.matlet.2015.02.014Baker J. // J. Comp. Chem. 1986. V. 7. № 4. P. 385; https://doi.org/10.1002/jcc.540070402Пономарев Д.А. Дис. … канд. физ.-мат. наук. Екатеринбург: Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, 2018.MOPAC2016 / James J.P. Stewart, Stewart Computational Chemistry/ Colorado Springs, CO, USA, 2016; http://openmopac.net/Ito S., Fedorov D.G., Okamoto Y., Irle S. // Comput. Phys. Commun. 2018. V. 228. P. 152; https://doi.org/10.1016/j.cpc.2018.01.014Abdullah M.M., Rajab F.M., Al-Abbas S.M. // AIP Advances. 2014. V. 4. 027121; https://doi.org/10.1063/1.4867012Skjelbred K.M., Astrand Per-Olof et al. // AIP Conference Proceedings. 2015. V. 1702. 090061; https://doi.org/10.1063/1.4938869