Межфазная энергия кристаллов палладия на границе с неполярными органическими жидкостями
А.М. Апеков1, И.Г. Шебзухова2, Л.А. Хамукова1
1 Региональный научно-образовательный математический центр «Северо-Кавказский центр математических исследований» ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет»
2 ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.250
Оригинальная статья
Аннотация: Высока роль металлоорганических соединений палладия и нанокристалов палладия в химической промышленности, в медицине, для хранения и транспортировки водорода и других областях. Внедрение технологии имплантации чипов или других девайсов в живой организм требует понимания физико-химических процессов и свойств на границе раздела органических веществ с металлами. Внедренные таким образом устройства могут контролировать биологические показатели организма, например, ритм сердца, содержание глюкозы, а также доставлять лекарства или стимулировать нервную систему. Особый интерес представляют имплантируемые в мозг нейроинтерфейсы с помощью которых осуществляется управление различных устройств, например, смартфона или компьютера при помощи мысли. Представляет интерес исследование свойств жидких органических носителей водорода включающих наночастицы палладия в качестве катализаторов и позволяющих безопасно хранить, транспортировать и контролируемо выделять водород. В данной работе в рамках электронно-статистического метода получены значения межфазной энергии на границах граней кристалла палладия с органическими жидкостями с учетом дисперсионного взаимодействия ячеек Вигнера-Зейтца на поверхности раздела, а также поляризации металлических ионов и молекул органической жидкости. Получены зависимости межфазной энергии и поправок к межфазной энергии от ориентации металлического кристалла и от диэлектрической проницаемости жидкости. Установлено, что дисперсионная поправка увеличивает, а поляризационная – снижает межфазную энергию. Наибольшее значение межфазной энергии характерно для грани (111) а наименьшее значение для грани (110).
Ключевые слова: межфазная энергия, палладий, электронно-статистический метод, дисперсионная поправка, поляризационная поправка, неполярная органическая жидкость
- Апеков Аслан Мартинович – к.ф.-м.н., заместитель директора по научной работе, Региональный научно-образовательный математический центр «Северо-Кавказский центр математических исследований» ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет»
- Шебзухова Ирина Гусейновна – д.ф.-м.н., профессор, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики Института физики и математики, ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
- Хамукова Лиана Амурбековна – к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, Региональный научно-образовательный математический центр «Северо-Кавказский центр математических исследований» ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет»
Ссылка для цитирования:
Апеков, А.М. Межфазная энергия кристаллов палладия на границе с неполярными органическими жидкостями / А.М. Апеков, И.Г. Шебзухова, Л.А. Хамукова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 250-258. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.250. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Schlapbach, L. Hydrogen-storage materials for mobile applications / L. Schlapbach, A. Züttel // Nature. – 2001. – V. 414. – I. 6861. – P. 353-358. DOI: 10.1038/35104634.
2. Felderhoff, M. High temperature metal hydrides as heat storage materials for solar and related applications / M. Felderhoff, B. Bogdanović // International Journal of Molecular Science. – 2009. – V. 10. – I. 1. – P. 325-344. DOI: 10.3390/ijms10010325.
3. Oumellal, Y. Metal hydrides for lithium-ion batteries / Y. Oumellal, A. Rougier, G. Nazri, J.M. Tarascon, L. Aymard // Nature Materials. – 2008. – V. 7. – I. 11. – P. 916-921. DOI: 10.1038/nmat2288.
4. Wadell, C. Plasmonic hydrogen sensing with nanostructured metal hydrides. / C. Wadell, S. Syrenova, C. Langhammer // ACS Nano. – 2014. – V. 8. – I. 12. – P. 11925-11940. DOI: 10.1021/nn505804f.
5. Syrenova, S. Hydride formation thermodynamics and hysteresis in individual Pd nanocrystals with different size and shape / S. Syrenova, C. Wadell, F. Nugroho et al. // Nature Materials. – 2015. – V. 14. – I. 12. – P. 1236-1244. DOI: 10.1038/nmat4409.
6. Borodziński, A. Selective hydrogenation of ethyne in ethene‐rich streams on palladium catalysts. Part 1. Effect of changes to the catalyst during reaction / A. Borodziński, G.C. Bond // Catalysis Reviews. – 2006. – V. 48. – I. 2. – P. 91-144. DOI: 10.1080/01614940500364909.
7. Borodziński, A. Selective hydrogenation of ethyne in ethene‐rich streams on palladium catalysts. Part 2: Steady‐state kinetics and effects of palladium particle size, carbon monoxide, and promoters / A. Borodziński, G.C. Bond // Catalysis Reviews: Science and Engineering. – 2008. – V. 50. – I. 3. – P. 379-469. DOI: 10.1080/01614940802142102.
8. Biffis, A. Pd Metal catalysts for cross-couplings and related reactions in the 21st century: a critical review / A. Biffis, P. Centomo, A. Del Zotto, M. Zecca // Chemical Reviews. – 2018. – V. 118. – I. 4. – P. 2249-2295. DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00443.
9. Torborg, C. Recent applications of palladium catalyzed coupling reactions in the pharmaceutical, agrochemical, and fine chemical industries / C. Torborg, M. Beller, // Advanced Synthesis Catalysis. – 2009.– V. 351. – I. 18. – P. 3027-3043. DOI: 10.1002/adsc.200900587.
10. Corbet, J.-P. Selected patented cross-coupling reaction technologies / J.-P. Corbet, G. Mignani // Chemical Reviews. – 2006. – V. 106. – I. 7. – P. 2651-2710. DOI: 10.1021/cr0505268.
11. Schlummer, B. Palladium-catalyzed C-N and C-O coupling−a practical guide from an industrial vantage point / B. Schlummer, U. Scholz // Advanced Synthesis & Catalysis. – 2004. – V. 346. – I. 13−15. – P. 1599-1626. DOI: 10.1002/adsc.200404216.
12. Miyaura, N. Palladium-catalyzed cross-coupling reactions of organoboron compounds / N. Miyaura, A. Suzuki // Chemical Reviews. – 1995. – V. 95. – I. 7. – P. 2457-2483. DOI: 10.1021/cr00039a007.
13. Li, Y. Suzuki cross-coupling reactions catalyzed by palladium nanoparticles in aqueous solution. / Y. Li, X.M. Hong, D.M. Collard, M.A. El-Sayed // Organic Letters. – 2000. – V. 2. – I. 15. – P. 2385-2388. DOI: 10.1021/ol0061687.
14. Kim, S.-W. Fabrication of hollow palladium spheres and their successful application to the recyclable heterogeneous catalyst for Suzuki coupling reactions / S.-W. Kim, M. Kim, W.Y. Lee, T. Hyeon // Journal of the American Chemical Society. – 2002 – V. 124. – I. 26. – P. 7642-7643. DOI: 10.1021/ja026032z.
15. Son, S.U. Designed synthesis of atom-economical Pd/Ni bimetallic nanoparticle-based catalysts forsonogashira coupling reactions / S.U. Son, Y. Jang, J. Park et al. // Journal of the American Chemical Society. – 2004. – V. 126. – I. 16. – P. 5026-5027. DOI: 10.1021/ja039757r.
16. Franzen, R. The Suzuki, the Heck, and the Stille reaction/three versatile methods for the introduction of new C-C bonds on solid support / R. Franzen // Canadian Journal of Chemistry. – 2000. – V. 78. – I. 7. – P. 957-962. DOI: 10.1139/v00-089.
17. Hickman, A. High-valent organometallic copper and palladium in catalysis / A. Hickman, M. Sanford // Nature. – 2012. – V. 484. – I. 7393. – P. 177-185. DOI: 10.1038/nature11008.
18. Magano, J. Large-scale applications of transition metal-catalyzed couplings for the synthesis of pharmaceuticals / J. Magano, J. R. Dunetz // Chemical Reviews. – 2011. – V. 111. – I. 3. – P. 2177-2250. DOI:10.1021/cr100346g.
19. Evano, G. Copper-mediated coupling reactions and their applications in natural products and designed biomolecules synthesis / G. Evano, N. Blanchard, M. Toumi // Chemical Reviews. – 2008. – V. 108. – I. 8. – P. 3054-3131. DOI: 10.1021/cr8002505.
20. Corbet, J.-P. Selected patented cross-coupling reaction technologies / J.-P. Corbet, G. Mignani // Chemical Reviews. – 2006. – V. 106. – I. 7. – P. 2651-2710. DOI: 10.1021/cr0505268.
21. Zhou, M.J. Recent advances in reversible liquid organic hydrogen carrier systems: from hydrogen carriers to catalysts / M.J. Zhou, Y. Miao, Y. Gu, Y. Xie // Advanced Materials. – 2024. – V. 36. – I. 37. – Art. № 2311355. – 26 p. DOI: 10.1002/adma.202311355.
22. Shao, Z. Reversible interconversion between methanol-diamine and diamide for hydrogen storage based on manganese catalyzed (de) hydrogenation / Z. Shao, Y. Li, C. Liu et al. // Nature Communications. – 2020. – V. 11. – Art. № 591. – 7 p. DOI: 10.1038/s41467-020-14380-3.
23. Preuster, P. Liquid organic hydrogen carriers (LOHCs): toward a hydrogen-free hydrogen economy / P. Preuster, C. Papp, P. Wasserscheid // Accounts of Chemical Research. – 2017. – V. 50. – I. 1. – P. 74-85. DOI: 10.1021/acs.accounts.6b00474.
24. Ding, S.-Y. Construction of covalent organic framework for catalysis: Pd/COF-LZU1 in Suzuki-Miyaura coupling / S.-Y. Ding, J. Gao, Q. Wang et al. // Journal of the American Chemical Society. – 2011. – V. 133. – I. 49. – P. 19816–19822. DOI: 10.1021/ja206846p.
25. Апеков, А.М. Ориентационная зависимость межфазной энергии низкотемпературной модификации титана на границе с органической жидкость / А.М. Апеков, И.Г. Шебзухова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. – С. 17-23. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.017.
26. Apekov, A.M. Interface energy of crystal faces of IIА-type metals at boundaries with nonpolar organic liquids, allowing for dispersion and polarization corrections / A.M. Apekov, I.G. Shebzukhova // Bulletin of Russian Academy of Science. Physics. – 2019. – V. 83. – I. 6. – P. 760-763. DOI: 10.3103/S1062873819060078.
27. Апеков, А.М. Вклад дисперсионного взаимодействия в межфазную энергию кристаллов кобальта на границе с неполярными органическими жидкостями / А.М. Апеков, И.Г. Шебзухова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 231-238. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.231.
28. Apekov, A.M. Polarization correction to the interfacial energy of faces of alkali metal crystals at the borders with a nonpolar organic liquid / A.M. Apekov, I.G. Shebzukhova // Bulletin of Russian Academy of Science. Physics. – 2018. – V. 82. – I. 7. – P. 789-792. DOI: 10.3103/S1062873818070067.
29. Апеков, А.М. Межфазная энергия кристаллов алюминия на границе с неполярными органическими жидкостями / А.М. Апеков, И.Г. Шебзухова, Л.А. Хамукова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2024. – Вып. 16. – С. 318-326. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.318.