University of Oulu

Computational study of NMR chemical shifts in periodic graphane-based systems

Saved in:
Author: Markkanen, Jari1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Science, Physics
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 26.7 MB)
Pages: 89
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201909212921
Language: English
Published: Oulu : J. Markkanen, 2019
Publish Date: 2019-09-26
Thesis type: Master's thesis
Tutor: Lantto, Perttu
Reviewer: Vaara, Juha
Lantto, Perttu
Description:

Tiivistelmä

Grafeeni on tasomainen heksagonaalisen hilan omaava hiilen allotrooppi, jolla on erikoislaatuisia ominaisuuksia. Se on noin kaksisataa kertaa terästä vahvempi. Se omaa parhaan sähkön- ja lämmönjohtokyvyn. Lisäksi se on taipuisa sekä läpinäkyvä materiaali. Ei ole yllätys, että sillä on useita eri sovelluskohteita, kuten komposiittimateriaalit, elektroniikka ja kvanttipisteet. Grafeenin ominaisuuksia voidaan muokata funktionalisaatiolla. Sitä voidaan esimerkiksi hydrogenoida, jolloin sen hiiliatomeihin liittyy vetyatomeja. Hydrogenoitua grafeenia kutsutaan grafaaniksi ja sen ominaisuudet ovat luonnollisesti erilaiset kuin grafeenin. Grafaanin sähköisiä ominaisuksia voidaan muokata vetyatomien määrällä, mikä on hyödyllinen ominaisuus esimerkiksi elektroniikassa. Lisäksi grafaania voidaan käyttää hyödyksi muun muassa vedyn varastoinnissa ja akuissa.

Vishnyakova et al. valmisti grafaania suoraan grafiitista. Synteesituotetta analysoitiin käyttäen NMR-spektroskopiaa. He päättelivät, että tuote sisälsi grafaanin lisäksi grafeenisaarekkeita. Kuitenkin tuotteen NMR-spektrin tulkintaa vaikeutti laskennallisten NMR-tulosten vajaavaisuus. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli siten tuottaa laskennallisia arvoja grafeenipohjaisten hiilinanosysteemien kemiallisille siirtymille. Laskennassa käytettiin niin sanottua GIPAW-menetelmää (Picard et al.), jolla voidaan määrittää jaksollisten systeemien NMR-parametreja hyödyntäen tiheysfunktionaaliteoriaa. Tutkimuksessa NMR-parametrejä määriteltiin ensimmäistä kertaa kaikille puhtaan grafaanin kuudelle eri konformaatiolle: chair, boat-1, boat-2, stirrup, twistboat ja tricycle. Puhtaita konformaatioita tutkittiin yhdessä, kahdessa ja kolmessa tasossa sekä niin sanotussa bulk-tilanteessa, jossa tasoja ajatellaan olevan päällekkäin ääretön määrä. Myös erikokoisia ja -muotoisia grafeenisaarekkeita sisältäviä grafaani-systeemejä tutkittiin kaikilla kuudella konformaatiolla.

Tutkimuksessa havaittiin, että eri konformaatioiden välillä on huomattavia eroja kemiallisessa siirtymässä. Puhtaille grafaani-systeemeille havaittiin myös, että tasojen määrä vaikutti tuloksiin. Kun tuloksia verrattiin kvalitatiivisesti Vishnyakova et al. kokeellisesti määritettyihin NMR-spektreihin, niissä havaittiin paljon yhtäläisyyksiä. Laskettujen arvojen pohjalta voitiin spekuloida, että kokeellisesti tuotetussa grafeenissa oli grafeenisaarekkeita, joita ympäröi grafaania eri konformaatioissa. Tutkimus mahdollistaa siten grafaanin kokeellisten NMR-spektrien paremman analysoinnin tulevaisuudessa.

Tässä tutkimuksessa keskityttiin ainoastaan NMR-varjostuksen aiheuttaman kemiallisen siirtymän määrittämiseen. Tulevaisuudessa voitaisiin myös laskea epäsuoran spin-spin-vuorovaikutuksen kytkentävakiot kaikille grafaani-konformaatioille. Toinen mahdollinen jatkotutkimuskohde voisi olla fluorografeeni, jossa grafeenilevyyn onkin vedyn sijasta liittynyt fluoria.

see all

Subjects:
Copyright information: © Jari Markkanen, 2019. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.