Nghiên cứu các đặc tính hấp phụ khí của đơn lớp Sc2CO2 bằng các tính toán DFT

Nghiên cứu các đặc tính hấp phụ khí của đơn lớp Sc2CO2
bằng các tính tốn DFT
Pham Dinh Khang1,*, Hoang Van Ngoc2
1
2

Viện Kỹ thuật cơ giới quân sự

Viện Phát triển Ứng dụng, Đại học Thủ Dầu Một

E-mail: ;

TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, chúng tơi đã nghiên cứu các đặc tính hấp phụ khí N2, H2, O2, NO, NO2,
CO, CO2 và SO2 trên đơn lớp Sc2CO2 dựa trên các tính tốn từ lý thuyết phiếm hàm mật độ. Các
đặc điểm cấu trúc của đơn lớp Sc2CO2 sau khi hấp phụ các khí khác nhau đã được làm sáng tỏ.
Các vị trí hấp phụ ưa thích cho từng khí được tính tốn và xác định. Các phân tử CO2, CO, H2 và
N2 bị hấp phụ vật lý trên đơn lớp Sc2CO2. Các phân tử NO, SO2, NO2 và O2 bị hấp phụ hóa học
trên đơn lớp Sc2CO2. Việc hấp phụ hóa học các phân tử O2, vốn là một thành phần cơ bản của
khơng khí, làm thay đổi rõ rệt các tính chất điện tử của đơn lớp Sc2CO2. Điều này làm hạn chế
triển vọng ứng dụng đơn lớp Sc2CO2 trong cảm biến khí hoặc thu giữ khí độc như khí SO2 và
NO.
Từ khóa: tính tốn DFT, hấp phụ khí, đơn lớp Sc2CO2, tính chất điện tử, cảm biến khí

Gas adsorption on Sc2CO2 monolayer: A DFT study
Pham Dinh Khang1,*, Hoang Van Ngoc2
1
2

Institute of Military Mechanical Engineering

Institute of Applied Technology, Thu Dau Mot University

ABSTRACTS
In this study, we studied the adsorption properties of N2, H2, O2, NO, NO2, CO, CO2 and SO2 on
the Sc2CO2 monolayer based on DFT calculations. The structural features of the Sc2CO2
monolayer after adsorption of different gases have been elucidated. The preferred adsorption
sites for each gas are determined. The CO2, CO, H2 and N2 molecules are physisorbed on the
monolayer Sc2CO2. The NO, SO2, NO2 and O2 molecules are chemisorbed on the Sc2CO2
monolayer. The chemical adsorption of O2 molecules, which is a fundamental component of air,
39


markedly changes the electronic properties of the Sc2CO2 monolayer. This limits the prospects
for application of the Sc2CO2 monolayer in gas sensing or capturing toxic gases such as SO2 and
NO.
Keywords: DFT calculation, gas adsorption, Sc2CO2 monolayer, electronic properties, gas
sensor.

1. Giới thiệu
Nhờ cấu trúc, các tính chất điện tử độc đáo và diện tích bề mặt lớn, vật liệu 2D là ứng cử
viên đầy triển vọng cho nhiều ứng dụng điện tử, xúc tác và năng lượng [1-7]. Việc tổng hợp,
nghiên cứu các tính chất và ứng dụng của các vật liệu 2D mới đang trở thành một trong những
lĩnh vực thú vị của khoa học và công nghệ. Các đơn lớp graphene, boron nitride, dichalcogenides
của kim loại chuyển tiếp và phosphorene đã được chế tạo thành công từ các cấu trúc có các phân
lớp liên kết yếu (van der Waals) của chúng [4, 6].
MXenes được phát hiện lần đầu tiên vào năm 2011 [8], đến nay đã trở thành đối tượng
nghiên cứu rất được quan tâm của nhiều nhóm các nhà khoa học vật liệu trên thế giới. Việc tổng
hợp MXenes từ các hợp chất ba chiều (3D) đã trở nên khả thi nhờ việc kết hợp phương pháp
phân tách lớp trong dung dịch hóa học và siêu âm [8, 9]. MXenes có cấu trúc dạng Mn+1Xn, trong
đó: “M” là một kim loại chuyển tiếp (Sc, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, hoặc Mo), “X” là carbon

hoặc nitro và n = 1, 2 hoặc 3. Khi tổng hợp MXenes từ Mn+1AXn (pha MAX) trong dung dịch
axit HF, các lớp “A” có liên kết yếu với các lớp “M” và “X” sẽ bị thay thế bằng các nhóm kết
thúc bề mặt (-Tx) và tạo thành các lớp MXenes riêng biệt [8]. Tùy thuộc vào mơi trường axit, các
nhóm kết thúc bề mặt có thể là -O, -OH hoặc -F và chúng có những ảnh hưởng nhất định đến
tính chất của vật liệu. Một số kim loại chuyển tiếp khác (Mo, Cr) cũng có thể được thêm vào
thành phần hóa học của MXenes tạo thành MXenes của hai kim loại chuyển tiếp để điều chỉnh
tính chất điện-lý-hóa của loại vật liệu này [8, 10-13]. Nhờ vào tính đa đạng về thành phần hóa
học và khả năng điều chỉnh trật tự bề mặt cùng với những tính chất đặc biệt như diện tích bề mặt
lớn, tính ưa nước, khả năng hấp phụ và độ phản ứng bề mặt cao, MXenes được đánh giá là vật
liệu sáng giá ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như lưu trữ năng lượng (pin Li-ion [14-17] và siêu tụ
điện [18, 19]), vật liệu composite [20, 21], quang xúc tác [3, 22, 23], thiết bị thu giữ khí và cảm
biến khí [24, 25].
40


Hấp phụ khí là hướng nghiên cứu liên quan trực tiếp đến các ứng dụng cảm biến khí, thu giữ
khí và lọc khí. MXenes có tiềm năng ứng dụng cho cảm biến khí do cơ chế truyền điện tích trực
tiếp [26]. Các thí nghiệm của Persson Ingemar và các cơng sự [1] đã cho thấy Ti3C2 MXenes là
chất rắn hấp phụ phù hợp để thu trữ CO2. MXenes dạng Ti3C2Tx có thể hấp phụ CO2 ở áp suất
thấp lên đến ≈12 mol/kg, tức là vượt trội so với các chất hấp phụ CO2 hiện nay, đồng thời vật
liệu đơn lớp rắn này lại khơng có ái lực đối với N2 [1]. Hơn nữa, các cảm biến từ đơn lớp Ti3C2
có thể phát hiện thành cơng các khí như ethanol, metanol, acetone và ammonia ở nhiệt độ phòng
[27]. Điều này đem đến hướng phát triển các thiết bị điện tử nhỏ gọn có thể nhận biết khí ở nhiệt
độ phịng nhằm góp phần vào các chuẩn đốn chăm sóc sức khỏe và ứng dụng môi trường khác
nhau. Nhờ vào hiệu suất hấp phụ cao, tính chọn lọc hấp phụ CO2 so với N2, cùng với độ ổn định
hóa học và nhiệt học, MXene Ti3C2Tx trở thành vật liệu mới có thể ứng dụng trong việc thu trữ
và chuyển đổi CO2 nhằm làm giảm lượng khí thải CO2 đang ngày càng tăng trong khí quyển từ
đó giảm bớt sự nóng lên tồn cầu gây ra bởi việc đốt nhiên liệu hóa thạch [28].
Trong số tất cả các pha MXene, về mặt lý thuyết, 2D Sc2C sở hữu diện tích bề mặt cao nhất
trên cùng một trọng lượng, cùng với những cơ chế hấp thụ H2 bao gồm hấp thụ hóa học, hấp thụ

vật lý và tương tác loại Kubas và do đó, được kỳ vọng sẽ có khả năng lưu trữ hydro cao nhất [2931]. Đơn lớp Sc2CO2 là một ứng cử viên tiềm năng cho cảm biến khí SO2 nhờ vào tính ưu tiên
khi hấp phụ phân tử SO2, cường độ hấp phụ phù hợp, lượng điện tích chuyển dịch lớn và hiệu
ứng tăng cường độ dẫn điện tử của đơn lớp khi hấp phụ SO2 [32]. Bên cạnh đó, đơn lớp Sc2CO2
là vật liệu thu giữ khí tiềm năng nhờ cơ chế kiểm sốt hấp thụ/giải phóng khí bằng điện trường
hoặc biến dạng [32]. Các kết quả tính tốn của Yang và các công sự [33] cho thấy Sc2CO2 nhạy
cảm với phân tử NO do sự tương tác hóa học và chuyển điện tích lớn 0,303 e giữa chúng, sẽ tạo
ra sự thay đổi độ dẫn điện tử và từ đó phân tử NO được phát hiện bằng cảm biến dựa trên đơn
lớp Sc2CO2. Khi áp dụng biến dạng ngoài, các đặc tính hấp phụ khí NO được tăng cường cho
thấy khả năng ứng dụng Sc2CO2 là vật liệu thu giữ khí độc NO [33]. Trong cả hai nghiên cứu của
Ma và các công sự [32] và Yang và các công sự [33], những kết quả rất thú vị về hấp phụ khí
trên đơn lớp Sc2CO2 và ảnh hưởng của biến dạng ngồi đã được trình bày, từ đó khả năng ứng
dụng trong cảm biến khí đã được đánh giá. Tuy nhiên tính chọn lọc trong hấp phụ SO2 so với các
phân tử khí khác, đặc biệt là các thành phần của khơng khí chưa được xem xét trong các nghiên
cứu này.
41


Qua nghiên cứu tổng quan, chúng tôi nhận thấy rằng các đặc tính hấp phụ của MXenes
Sc2CO2 mới chỉ được nghiên cứu đối với một số loại khí riêng biệt. Thêm vào đó, tính chọn lọc
trong hấp phụ đối với một khí hoặc một vài khí là một tiêu chí rất quan trọng của vật liệu cảm
biến khí. Do đó, trong nghiên cứu này chúng tôi đã nghiên cứu một cách hệ thống các đặc tính
hấp phụ các thành phần khơng khí (H2, N2, CO2, O2) và các khí độc hại (SO2, CO, NO, NO2) trên
đơn lớp Sc2CO2. Các vị trí hấp phụ ưa thích khác nhau đối với từng khí được xác định. Để đánh
giá cơ chế hấp phụ, các đại lượng như các đặc điểm cấu trúc, khoảng cách hấp phụ, năng lượng
hấp thụ, điện tích hiệu dụng, lượng điện tích chuyển dịch giữa phân tử khí và đơn lớp Sc2CO2 đã
được tính tốn. Tính chọn lọc khi hấp phụ các khí trên đơn lớp Sc2CO2 cũng đã được nghiên cứu
và từ đó chúng tơi tiếp tục xem xét khả năng ứng dụng của Mxenes Sc2CO2 cho cảm biến khí.
Nghiên cứu lý thuyết của chúng tơi sử dụng các tính tốn từ ngun lý đầu tiên, which đã trở
thành một cơng cụ hữu ích và đáng tin cậy để nghiên cứu các vật liệu tiên tiến trong những năm
gần đây [34, 35]. Các phương pháp tính tốn và thơng số tính tốn được lựa chọn cẩn thận trên

cơ sở tham khảo các khuyến nghị đáng tin cậy đã được công bố và các kiểm tra độ hội tụ của
chúng tơi. Các kết quả tính tốn thu được được so sánh với các kết quả nghiên cứu đã được công
bố về 2D Sc2CO2 và các vật liệu Mxenes khác.

2. Phương pháp tính tốn
Trong nghiên cứu này, chúng tơi đã sử dụng gói phần mềm Quantum Espresso [36] để thực
hiện tất cả các tính tốn tối ưu cấu trúc và các tính chất điện tử của các cấu hình hấp phụ. Để tính
đến tương tác Van der Waals (vdW), chúng tơi sử dụng phương pháp DFT-D2 của Grimme [37].
Các tính toán tối ưu cấu trúc được thực hiện theo nguyên lý tối thiểu năng lượng của hệ và tổng
lực tác dụng lên nguyên tử trong cấu trúc. Theo đó, từ vị trí ban đầu các phân tử khí sẽ dịch
chuyển về các vị trí ổn định nhất, tương ứng với vị trí mà tổng các lực tác dụng lên các nguyên
tử trong nhỏ hơn 0.01 eV/Å và độ chênh lệch của tổng năng lượng giữa hai vòng lặp hội tụ liên
tiếp nhỏ hơn 10-6 Ry. Lưới điểm K cho tất cả các tính tốn tối ưu cấu trúc và tính toán mật độ
trạng thái được đặt tương ứng là 6x6x1 và 8x8x1 theo sơ đồ Monkhorst-Pack. Động năng cắt cho
hàm sóng và cho mật độ điện tích được đặt bằng 30 Ry and 300 Ry.

42


Hình 1. Hình chiếu đứng (a) và hình chiếu ngang (b) của ô đơn vị 3 x 3 x 1 Sc2CO2 . Các vị trí ban
đầu hấp phụ hấp phụ khí có thể xảy ra trên bề mặt đơn lớp Sc2CO2: phía trên nguyên tử O lớp trên cùng
(vị trí B), phía trên nguyên tử Sc lớp trên và lớp dưới (vị trí A và C, tương ứng).

Mơ hình 3 x 3 x 1 Sc2CO2 chứa lớp chân không dày 15 Å bao gồm 48 nguyên tử đã được
xây dựng (Hình 1). Thơng số mạng của đơn lớp Sc2CO2 thu được từ tính tốn tối ưu bằng 3.44
Å, giá trị này phù hợp với giá trị tính tốn in tài liệu [38] (3.44 Å). Chúng tôi nghiên cứu tương
tác của các phân tử khí với đơn lớp Sc2CO2 từ 3 vị trí hấp phụ ban đầu (được kí hiệu A, B, C trên
Hình 1, a) của chúng ở khoảng cách 3 Å so với lớp nguyên tử trên cùng của đơn lớp Sc2CO2.
Để mô tả mức độ ổn định của các cấu hình hấp phụ, năng lượng hấp phụ các phân tử khí trên
đơn lớp Sc2CO2 được xác định theo công thức [39]:

Eads = ESc2CO2 + Egas − Egas + Sc2CO2

trong đó ESc CO và Egas + Sc CO là tổng năng lượng của mạng Sc2CO2 trước và sau khi hấp phụ phân tử
2

2

2

2

khí, Egas là tổng năng lượng của phân tử khí tự do trong một mạng có cùng kích thước.
Sự thay đổi mật độ điện tích khi hấp phụ khí được tính theo cơng thức:
Δρ = ρ[gas+Sc2CO2] − ρ [Sc2CO2] − ρ [gas],

43


trong đó ρ[gas+Sc2CO2] là mật độ điện tích của cấu hình hấp phụ khí/Sc2CO2, ρ[Sc2CO2] và
ρ[gas] are mật độ điện tích của đơn lớp Sc2CO2 and của phân tử khí tách rời.
Cấu trúc vùng năng lượng và mật độ trạng thái của các hê khi hấp phụ khí tại các vị trí ưa
thích đã được tính tốn và phân tích. Bên cạnh đó, cơ chế tương tác giữa phân tử khí và đơn lớp
liên quan chặt chẽ đến sự trao đổi điện tích giữa chúng, trong đó có mối quan hệ cho – nhận điện
tử và dùng chung điện tử. Do đó, trong nghiên cứu này chúng tơi đã tính tốn lượng điện tử
chuyển dịch từ phân tử khí sang đơn lớp (Qtran) và lượng điện tích dùng chung giữa chúng, which
bằng sự thay đổi của tổng điện tích của các nguyên tử trên phân tử khí sau khi bị hấp phụ. Tổng
điện tích của các nguyên tử được xác định theo phân tích mật độ điện tích Lưwdin [40]. Tính
chọn lọc đối với các khí được nghiên cứu của đơn lớp Sc2CO2 được đánh giá một cách tổng quát
thông qua các đặc điểm cấu trúc, năng lượng hấp phụ và lượng điện tích dịch chuyển từ đơn lớp
sang phân tử khí.

3. Kết quả và thảo luận
3.1. Hấp phụ vật lý các phân tử khí CO2, CO, N2 và H2 trên đơn lớp Sc2CO2
Các tính tốn optimization cho thấy khi phân tử CO2 tương tác với đơn lớp (tại cả 3 vị trí
ban đầu A, B và C), phân tử CO2 nằm ngang ở khoảng cách xa với đơn lớp (3.14, 3.84 và 3.49
Å, tương ứng). Trong cả ba vị trí hấp phụ, phân tử CO2 đều đóng vai trị là donor với lượng điện
tích chuyển dịch tương đối nhỏ (0.015 ÷ 0.030 e). Vị trí ưa thích khi hấp phụ phân tử CO2 là vị
trí A (Hình 2, a), tương ứng với năng lượng hấp phụ lớn nhất bằng 0.034 eV. Độ dài liên kết
trong phân tử khí thay đổi khơng đáng kể (Bảng 1). Phân tích PDOS của các nguyên tử Sc, C, O
trên đơn lớp ở vị trí hấp phụ khí và nguyên tử C, O của phân tử CO2 (Hình 2, a) cho thấy khơng
có sự lai hóa giữa các orbital nguyên tử CO2 với các nguyên tử trên đơn lớp Sc2CO2. Điều này
cho thấy tương tác giữa phân tử CO2 và đơn lớp Sc2CO2 được gây nên bởi lực Van der Waals
yếu.
Năng lượng hấp phụ phân tử CO tại vị trí C bằng 0.036 eV là lớn nhất cho thấy đây là vị trí
hấp phụ ưu thích. Tại vị trí hấp phụ này, phân tử CO nằm nghiêng so với đơn lớp Sc2CO2 một
góc bằng 34˚ ở khoảng cách 3.503 Å. Lượng điện tích chuyển dịch giữa phân tử CO và đơn lớp
bằng 0.099 e, which lớn hơn đáng kể so với trường hợp hấp phụ CO2. Có thể quan sát thấy sự lai
hóa của các mật độ trạng thái riêng O-2p và C-2p của phân tử khí tại mức năng lượng 1.2 eV
(Hình 2, b), which kéo theo sự xuất hiện của hai dải band mới trong band gap ban đầu của đơn
44


lớp Sc2CO2. Khơng tồn tại sự lai hóa giữa các mật độ trạng thái riêng của các nguyên tử của
phân tử khí với các nguyên tử trên đơn lớp. Sự thay đổi mật độ điện tích của phân tử khí CO và
đơn lớp được thấy rõ khi CDD được thể hiện ở giá trị ±0.001 e/Å3 (Hình 3, b).
Phân tử H2 và phân tử N2 khi được hấp phụ đều nằm vng góc với đơn lớp Sc2CO2 ở
khoảng cách bằng 2.728 Å và 2.611 Å, tương ứng. Vị trí hấp phụ ưa thích của phân tử H2 là vị trí
A với năng lượng hấp phụ bằng 0.017 eV, trong khí vị trí hấp phụ ưu thích của phân tử N2 là vị
trí B với năng lượng hấp phụ bằng 0.032 eV. Sự trao đổi điện tích giữa phân tử H2 và đơn lớp là
khơng đáng kể (0.001 e). Chính vì vậy, sự thay đổi mật độ điện tích của phân tử khí H2 và đơn

lớp được thấy rõ khi CDD được thể hiện ở giá trị ±0.0004 e/Å3 (Hình 3, c). Ngược lại, lượng
điện tích trao đổi giữa phân tử N2 và đơn lớp khá lớn (0.163 e). Từ giá trị của năng lượng hấp
phụ và lượng điện tích chuyển dịch từ phân tử khí sang đơn lớp trong bảng 1 cho thể thấy phân
tử N2 được hấp phụ vật lý chọn lọc hơn so với các phân tử CO2, CO và H2.
Bảng 1. Các đặc tính hấp phụ khí CO2, CO, N2 và H2 trên đơn lớp Sc2CO2: năng lượng hấp phụ Eads,
khoảng cách hấp phụ dad, lượng điện tử chuyển dịch từ phân tử khí sang đơn lớp Sc2CO2 Qtran , độ dài liên
kết trong phân tử khí trước (l0) và sau khi hấp phụ (l).
Cấu hình hấp phụ

CO2- Sc2CO2 - A site

CO2- Sc2CO2 - B site

CO2- Sc2CO2 - C site

dad

Eads
(eV)

(Å)

Qtran
(e)

-0.034

3.143

0.028

-0.013

-0.030

3.840

3.485

l0

l

(Å)

(Å)

1.172

1.172

1.172

1.172

1.172

1.172

1.172

1.172

1.172

1.172

1.172

1.172

0.015

0.030

CO- Sc2CO2 - A site

-0.031

3.168

0.071

1.142

1.142

CO- Sc2CO2 - B site

-0.015

3.619

0.048

1.142

1.142

CO- Sc2CO2 - C site

-0.036

3.503

0.099

1.142

1.142

H2- Sc2CO2 - A site

-0.017

2.728

0.001

0.761

0.762

H2- Sc2CO2 - B site

-0.008

3.650

0.001

0.761

0.762

H2- Sc2CO2 - C site

-0.013

3.325

0.004

0.761

0.763

N2- Sc2CO2 - A site

-0.007

3.688

0.021

1.109

1.109

45


N2- Sc2CO2 - B site

-0.032

2.611

0.163

1.109

1.110

N2- Sc2CO2 - C site

-0.012

2.881

0.032

1.109

1.109

46


Hình 2. Các cấu hình hấp phụ ổn định nhất đối với các khí CO2 (a), CO (b), H2 (c), N2 (d) trên đơn lớp
Sc2CO2 . Cấu trúc vùng năng lượng và mật độ trạng thái của chúng được thể hiện ở hình bên phải.

Hình 3. Sự thay đổi mật độ điện tích (CDD) của đơn lớp Sc2CO2 sau khi hấp phụ các phân tử khí
CO2 (a), CO (b), H2 (c), N2 (d). Giá trị hiển thị CDD được đặt bằng ±0.001 e/Å3 đối với trường hợp hấp
phụ N2 và CO, và bằng ±0.0004 e/Å3 đối với trường hợp hấp phụ H2 và CO2. Sự gia tăng hoặc suy giảm
mật độ điện tử tương ứng được thể hiện bằng các đường màu vàng và màu xanh.

3.2. Hấp phụ hóa học các phân tử khí NO, SO2, NO2 và O2 trên đơn lớp Sc2CO2
Bảng 2. Các đặc tính hấp phụ khí NO và SO2 trên đơn lớp Sc2CO2: năng lượng hấp phụ (Eads), khoảng
cách hấp phụ (dad), lượng điện tích chuyển dịch từ phân tử khí sang đơn lớp Sc2CO2 ( Qtran ), độ dài liên
kết trong phân tử khí trước (l0) và sau khi hấp phụ (l). Giá trị năng lượng hấp phụ được in đậm là lớn nhất
đối với mỗi loại khí, tương ứng với vị trí hấp phụ ưa thích của chúng trên đơn lớp Sc2CO2.

Configuration

dad

Qtran

l0

l

(Å)

(|e|)

(Å)

(Å)

1.159

1.181

Eads (eV)
-0.340

0.019

NO- Sc2CO2 - A site

-0.470
[33]

2.184

NO- Sc2CO2 - B site

-0.072

3.421

0.047

1.159

1.164

NO- Sc2CO2 - C site

-0.340

2.184

0.019

1.159

1.181

-0.398

2.355

1.453

1.507

-0.646

2.310 [32]

1.453

1.507

SO2- Sc2CO2 - A site

-0.077

47


[32]
SO2- Sc2CO2 - B site

SO2- Sc2CO2 - C site

NO2- Sc2CO2 - A site

NO2- Sc2CO2 - B site

NO2- Sc2CO2 - C site

-0.118

-0.133

-2.984

-2.846

-2.709

3.473

3.361

2.268

2.311

2.243

1.453

1.465

1.453

1.465

1.453

1.464

1.453

1.464

1.210

1.287

1.210

1.264

1.210

1.341

1.210

1.212

1.210

1.293

1.210

1.233

0.009

-0.064

-0.314

-0.283

-0.329

O2- Sc2CO2 - A site

-0.320

2.815

-0.203

1.229

1.258

O2- Sc2CO2 - B site

-1.973

2.230

-0.504

1.229

1.441

O2- Sc2CO2 - C site

-0.391

2.851

-0.217

1.229

1.270

Các tính tốn optimization cho thấy cường độ hấp phụ các khí NO, SO2, NO2 và O2 lớn hơn
hẳn so với các khí H2, N2, CO2 và CO. Điều này được thể hiện ở năng lượng hấp phụ lớn hơn,
khoảng cách hấp phụ nhỏ hơn, độ dài liên kết trong phân tử khí tăng lên và lượng điện tích trao
đổi giữa đơn lớp và phân tử khí lớn hơn (Bảng 2).
Vị trí ưa thích của phân tử NO trên đơn lớp Sc2CO2 là vị trí A, tương ứng với năng lượng
hấp phụ lớn nhất (0.34 eV) so với giá trị này ở các vị trí khác (Bảng 2). Kết quả tính tốn năng
lượng hấp phụ của phân tử NO phù hợp với kết quả tính tốn của Yang và các cơng sự [33] (0.47
eV). Tại vị trí này, phân tử NO nằm vng góc với đơn lớp, khoảng cách hấp phụ giữa chúng là
2.184 Å. Độ dài liên kết trong phân tử khí NO tăng lên 1.9% sau khi nó bị hấp phụ trên đơn lớp.
Phân tử NO đóng vai trị là donor với lượng điện tử chuyển sang đơn lớp bằng 0.019 e. Hình 4, a
cho thấy có sự lai hóa giữa các orbital nguyên tử N-2p, O-2p của phân tử khí với orbital nguyên
tử C-2p và O-2p của đơn lớp tại mức năng lượng 0 eV. Năng lượng hấp phụ lớn (0.34 eV),
khoảng cách hấp phụ nhỏ và sự lai hóa các mật độ trạng thái riêng của các nguyên tử cho thấy
phân tử NO bị hấp phụ hóa học trên đơn lớp Sc2CO2.
48


Năng lượng hấp phụ phân tử SO2 tại vị trí A bằng 0.398 eV, which phù hợp với kết quả tính
tốn đã được cơng bố [32] (0.646 eV). Năng lượng hấp phụ tại vị trí A lớn hơn hẳn so với tại các

vị trí B và C cho thấy vị trí A là vị trí hấp phụ ưa thích của phân tử SO2 trên đơn lớp Sc2CO2. Tại
vị trí này, phân tử SO2 tạo hai liên kết yếu với đơn lớp có đội dài d(O-Sc) = 2.355 Å (hình 4, b),
liên kết trong phân tử SO2 tăng lên 3.7% sau khi được hấp phụ. Đơn lớp cho điện tử sang phân tử
SO2 với một lượng điện tích bằng 0.077 e.
Năng lượng hấp phụ phân tử NO2 tại các vị trí A, B và C gần xấp xỉ nhau, do đó phân tử
NO2 có thể được hấp phụ đồng thời trên cả ba vị trí này mà khơng có sự ưu tiên vị trí (bảng 2).
Từ vị trí A, phân tử NO2 bị hấp phụ trên bề mặt tạo hai liên kết d(O-Sc) bằng 2.332 Å và 2.268 Å
(hình 4,c). Lượng điện tích chuyển dịch từ đơn lớp sang phân tử NO2 được tính tốn bằng -0.314
e. Độ dài liên kết trong phân tử khí d(N-O) tăng lên đến 6.4%.
Năng lượng hấp phụ phân tử O2 tại vị trí B bằng 1.973 eV là lớn nhất cho thấy đây là vị trí
hấp phụ ưu thích. Tại vị trí hấp phụ này, phân tử O2 nằm nghiêng so với đơn lớp Sc2CO2 một góc
bằng 29˚ và tạo các liên kết với 3 nguyên tử Sc trên đơn lớp có độ dài bằng 2.230 Å, 2.322 Å và
2.245 Å. Liên kết trong phân tử O2 tăng lên 0.012 Å. Lượng điện tích chuyển dịch giữa phân tử
CO và đơn lớp bằng -0.504 e. Chúng tơi quan sát thấy sự lai hóa của các mật độ trạng thái riêng
Sc-4s trên đơn lớp và O-2p của phân tử khí tại mức năng lượng 0.1 eV và -1.2 eV (Hình 4, d).
So sánh dữ liệu ở bảng 2 và bảng 1, chúng tôi thấy rằng năng lượng hấp phụ và lượng điện
tử đơn lớp cho sang phân tử khí NO2 và O2 lớn hơn hẳn so với các phân tử còn lại. Xét theo năng
lượng hấp phụ và lượng điện tích trao đổi [41-43], chúng tơi kết luận rằng trong số tính chọn lọc
trong hấp phụ các phân tử khí trên đơn lớp Sc2CO2 thuộc về NO2 và O2. Khi các khí bị hấp phụ,
độ dài liên kết trong phân tử khí tăng lên (bảng 2). Điều này xảy ra do khi bị hấp phụ lên đơn
lớp, các nguyên tử của phân tử khí chia sẻ một lượng điện tử hóa trị nhất định để tham gia các
liên kết với đơn lớp Sc2CO2 nên liên kết trong phân tử khí bị suy yếu.
Hình 5 thể hiện sự thay đổi mật độ điện tích (CDD) của đơn lớp Sc2CO2 adsorbed gas
molecules NO, SO2, NO2 và O2 tại the isovalue bằng ±0.03 e/Å3. Trong số này, NO đóng vai trị
là donor, các phân tử khí cịn lại đều nhận điện tử từ đơn lớp Sc2CO2. Lượng điện tích trao đổi
giữa phân tử khí O2 và đơn lớp bằng -0.504 e là lớn nhất so với các phân tử khí khác, kéo theo sự
thay đổi nhiều nhất về độ dẫn điện tử. Việc hấp phụ hóa học O2, vốn là một thành phần cơ bản
của khơng khí, làm thay đổi cơ bản các tính chất điện tử của đơn lớp Sc2CO2. Điều này, theo
49

nhận định của chúng tôi sẽ làm hạn chế triển vọng ứng dụng đơn lớp Sc2CO2 trong cảm biến khí
và thu giữ các loại khí độc chẳng hạn như khí SO2 và NO.

50


Hình 4. Các cấu hình hấp phụ ổn định nhất đối với các khí NO (a), SO2 (b), NO2 (c), O2 (d) trên đơn
lớp Sc2CO2 . Cấu trúc vùng năng lượng và mật độ trạng thái của chúng được thể hiện ở hình bên phải.

51


Hình 5. Sự thay đổi mật độ điện tích (CDD) của đơn lớp Sc2CO2 sau khi hấp phụ các phân tử khí (a)
NO, (b) SO2, (c,) NO2, (d) O2. Giá trị hiển thị CDD được đặt bằng ±0.03 e/Å3. Sự gia tăng hoặc suy giảm
mật độ điện tử tương ứng được thể hiện bằng các đường màu vàng và màu xanh.

4. Kết luận
Chúng tôi đã nghiên cứu một cách hệ thống các đặc tính hấp phụ khí (NO, NO2, CO, SO2,
N2, H2, O2, CO2) trên đơn lớp Sc2CO2 dựa trên các tính tốn từ lý thuyết phiếm hàm mật độ. Cấu
hình hình học, năng lượng hấp phụ, tính chất điện tử của hệ sau khi hấp phụ khí tại các vị trí
khác nhau được tính tốn và xác định. Các phân tử CO2, CO, N2 và H2 bị hấp phụ vật lý vào trên
monolayer Sc2CO2. Các phân tử O2, NO, SO2 và NO2 bị hấp phụ hóa học trên đơn lớp Sc2CO2.
Các kết quả tính tốn về năng lượng hấp phụ và lượng điện tích chuyển dịch giữa đơn lớp và
phân tử khí cho thấy tính chọn lọc trong hấp phụ các khí được nghiên cứu thuộc về NO2 và O2.
Do phân tử O2 bị hấp phụ hóa học đơn lớp Sc2CO2, nên tính chất điện tử của đơn lớp Sc2CO2 đã
bị thay đổi và khó kiểm sốt trong khơng khí. Theo nhận định của chúng tơi, điều này sẽ làm hạn
chế triển vọng ứng dụng đơn lớp Sc2CO2 trong cảm biến khí hoặc thu giữ khí độc như khí SO2
và NO.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] I. Persson, J. Halim, H. Lind, T.W. Hansen, J.B. Wagner, L.Å. Näslund, V. Darakchieva, J.
Palisaitis, J. Rosen, P.O. Persson, 2D Transition Metal Carbides (MXenes) for Carbon Capture,
Advanced Materials, 31 (2019) 1805472.
[2] K. Hantanasirisakul, Y. Gogotsi, Electronic and optical properties of 2D transition metal
carbides and nitrides (MXenes), Advanced Materials, 30 (2018) 1804779.
[3] J. Zhu, E. Ha, G. Zhao, Y. Zhou, D. Huang, G. Yue, L. Hu, N. Sun, Y. Wang, L.Y.S. Lee,
52


Recent advance in MXenes: A promising 2D material for catalysis, sensor and chemical
adsorption, Coordination Chemistry Reviews, 352 (2017) 306-327.
[4] K. Novoselov, A. Mishchenko, A. Carvalho, A.C. Neto, 2D materials and van der Waals
heterostructures, Science, 353 (2016) aac9439.
[5] J.R. Schaibley, H. Yu, G. Clark, P. Rivera, J.S. Ross, K.L. Seyler, W. Yao, X. Xu,
Valleytronics in 2D materials, Nature Reviews Materials, 1 (2016) 16055.
[6] A. Gupta, T. Sakthivel, S. Seal, Recent development in 2D materials beyond graphene,
Progress in Materials Science, 73 (2015) 44-126.
[7] Y. Gogotsi, Chemical vapour deposition: transition metal carbides go 2D, Nature materials,
14 (2015).
[8] M. Naguib, M. Kurtoglu, V. Presser, J. Lu, J. Niu, M. Heon, L. Hultman, Y. Gogotsi, M.W.
Barsoum, Two‐dimensional nanocrystals produced by exfoliation of Ti3AlC2, Advanced
Materials, 23 (2011) 4248-4253.
[9] M. Naguib, O. Mashtalir, J. Carle, V. Presser, J. Lu, L. Hultman, Y. Gogotsi, M.W. Barsoum,
Two-dimensional transition metal carbides, ACS nano, 6 (2012) 1322-1331.
[10] M. Naguib, V.N. Mochalin, M.W. Barsoum, Y. Gogotsi, 25th anniversary article: MXenes:
a new family of two‐dimensional materials, Advanced Materials, 26 (2014) 992-1005.
[11] M. Khazaei, A. Ranjbar, M. Arai, S. Yunoki, Topological insulators in the ordered double
transition metals M 2′ M ″C 2 MXenes (M′= Mo, W; M ″= Ti, Zr, Hf), Physical Review B, 94
(2016) 125152.

[12] B. Anasori, Y. Xie, M. Beidaghi, J. Lu, B.C. Hosler, L. Hultman, P.R. Kent, Y. Gogotsi,
M.W. Barsoum, Two-dimensional, ordered, double transition metals carbides (MXenes), ACS
nano, 9 (2015) 9507-9516.
[13] B. Anasori, C. Shi, E.J. Moon, Y. Xie, C.A. Voigt, P.R. Kent, S.J. May, S.J. Billinge, M.W.
Barsoum, Y. Gogotsi, Control of electronic properties of 2D carbides (MXenes) by manipulating
their transition metal layers, Nanoscale Horizons, 1 (2016) 227-234.
[14] M. Naguib, J. Halim, J. Lu, K.M. Cook, L. Hultman, Y. Gogotsi, M.W. Barsoum, New twodimensional niobium and vanadium carbides as promising materials for Li-ion batteries, Journal
of the American Chemical Society, 135 (2013) 15966-15969.
[15] Y. Xie, M. Naguib, V.N. Mochalin, M.W. Barsoum, Y. Gogotsi, X. Yu, K.-W. Nam, X.-Q.
Yang, A.I. Kolesnikov, P.R. Kent, Role of surface structure on Li-ion energy storage capacity of
two-dimensional transition-metal carbides, Journal of the American Chemical Society, 136
(2014) 6385-6394.
[16] O. Mashtalir, M. Naguib, V.N. Mochalin, Y. Dall’Agnese, M. Heon, M.W. Barsoum, Y.
Gogotsi, Intercalation and delamination of layered carbides and carbonitrides, Nature
communications, 4 (2013) 1716.
[17] J. Pang, R.G. Mendes, A. Bachmatiuk, L. Zhao, H.Q. Ta, T. Gemming, H. Liu, Z. Liu, M.H.
Rummeli, Applications of 2D MXenes in energy conversion and storage systems, Chemical
Society Reviews, 48 (2019) 72-133.
[18] M.R. Lukatskaya, O. Mashtalir, C.E. Ren, Y. Dall’Agnese, P. Rozier, P.L. Taberna, M.
Naguib, P. Simon, M.W. Barsoum, Y. Gogotsi, Cation intercalation and high volumetric
capacitance of two-dimensional titanium carbide, Science, 341 (2013) 1502-1505.
[19] B.-M. Jun, S. Kim, J. Heo, C.M. Park, N. Her, M. Jang, Y. Huang, J. Han, Y. Yoon, Review
of MXenes as new nanomaterials for energy storage/delivery and selected environmental
applications, Nano Research, DOI (2018) 1-17.
[20] Z. Ling, C.E. Ren, M.-Q. Zhao, J. Yang, J.M. Giammarco, J. Qiu, M.W. Barsoum, Y.
53


Gogotsi, Flexible and conductive MXene films and nanocomposites with high capacitance,
Proceedings of the National Academy of Sciences, 111 (2014) 16676-16681.

[21] M.Q. Zhao, C.E. Ren, Z. Ling, M.R. Lukatskaya, C. Zhang, K.L. Van Aken, M.W.
Barsoum, Y. Gogotsi, Flexible MXene/carbon nanotube composite paper with high volumetric
capacitance, Advanced Materials, 27 (2015) 339-345.
[22] O. Mashtalir, K.M. Cook, V. Mochalin, M. Crowe, M.W. Barsoum, Y. Gogotsi, Dye
adsorption and decomposition on two-dimensional titanium carbide in aqueous media, Journal of
Materials Chemistry A, 2 (2014) 14334-14338.
[23] H. Wang, Y. Wu, X. Yuan, G. Zeng, J. Zhou, X. Wang, J.W. Chew, Clay‐Inspired MXene‐
Based Electrochemical Devices and Photo‐Electrocatalyst: State‐of‐the‐Art Progresses and
Challenges, Advanced Materials, 30 (2018) 1704561.
[24] M. Khazaei, A. Mishra, N.S. Venkataramanan, A.K. Singh, S. Yunoki, Recent advances in
MXenes: from fundamentals to applications, Current Opinion in Solid State and Materials
Science, DOI (2019).
[25] J. Chen, K. Chen, D. Tong, Y. Huang, J. Zhang, J. Xue, Q. Huang, T. Chen, CO 2 and
temperature dual responsive “Smart” MXene phases, Chemical Communications, 51 (2015) 314317.
[26] M. Khazaei, A. Ranjbar, M. Ghorbani-Asl, M. Arai, T. Sasaki, Y. Liang, S. Yunoki, Nearly
free electron states in MXenes, Physical Review B, 93 (2016) 205125.
[27] E. Lee, A. VahidMohammadi, B.C. Prorok, Y.S. Yoon, M. Beidaghi, D.-J. Kim, Room
temperature gas sensing of two-dimensional titanium carbide (MXene), ACS applied materials &
interfaces, 9 (2017) 37184-37190.
[28] A. Taheri Najafabadi, CO2 chemical conversion to useful products: an engineering insight
to the latest advances toward sustainability, International Journal of Energy Research, 37 (2013)
485-499.
[29] Q. Hu, H. Wang, Q. Wu, X. Ye, A. Zhou, D. Sun, L. Wang, B. Liu, J. He, Two-dimensional
Sc2C: A reversible and high-capacity hydrogen storage material predicted by first-principles
calculations, International Journal of Hydrogen Energy, 39 (2014) 10606-10612.
[30] N. Pei-Sian, J.-C. Sin, Q. Jian-Ai, S.-M. Lam, Two-Dimensional MXene as a Promising
Material for Hydrogen Storage, 2019.
[31] Q. Hu, D. Sun, Q. Wu, H. Wang, L. Wang, B. Liu, A. Zhou, J. He, MXene: A New Family
of Promising Hydrogen Storage Medium, The Journal of Physical Chemistry A, 117 (2013)
14253-14260.

[32] S. Ma, D. Yuan, Z. Jiao, T. Wang, X. Dai, Monolayer Sc2CO2: A Promising Candidate as a
SO2 Gas Sensor or Capturer, The Journal of Physical Chemistry C, 121 (2017) 24077-24084.
[33] D. Yang, X. Fan, D. Zhao, Y. An, Y. Hu, Z. Luo, Sc2CO2 and Mn-doped Sc2CO2 as gas
sensor materials to NO and CO: A first-principles study, Physica E: Low-dimensional Systems
and Nanostructures, 111 (2019) 84-90.
[34] K.D. Pham, N.N. Hieu, H.V. Phuc, I. Fedorov, C. Duque, B. Amin, C.V. Nguyen, Layered
graphene/GaS van der Waals heterostructure: Controlling the electronic properties and Schottky
barrier by vertical strain, Applied Physics Letters, 113 (2018) 171605.
[35] K.D. Pham, N.N. Hieu, H.V. Phuc, B.D. Hoi, V.V. Ilysov, B. Amin, C.V. Nguyen, First
principles study of the electronic properties and Schottky barrier in vertically stacked graphene
on the Janus MoSeS under electric field, Computational Materials Science, 153 (2018) 438-444.
[36] P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, G.L.
Chiarotti, M. Cococcioni, I. Dabo, QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source
54


software project for quantum simulations of materials, Journal of Physics: Condensed Matter, 21
(2009) 395502.
[37] S. Grimme, Semiempirical GGA-type density functional constructed with a long-range
dispersion correction, Journal of Computational Chemistry, 27 (2006) 1787-1799.
[38] Y. Lee, S.B. Cho, Y.-C. Chung, Tunable Indirect to Direct Band Gap Transition of
Monolayer Sc2CO2 by the Strain Effect, ACS Applied Materials & Interfaces, 6 (2014) 1472414728.
[39] V.V. Ilyasov, K.D. Pham, O.M. Holodova, I.V. Ershov, Adsorption of atomic oxygen,
electron structure and elastic moduli of TiC(0 0 1) surface during its laser reconstruction: Ab
initio study, Applied Surface Science, 351 (2015) 433-444.
[40] P.-O. Löwdin, On the Nonorthogonality Problem*, in: L. Per-Olov (Ed.) Advances in
Quantum Chemistry, Academic Press1970, pp. 185-199.
[41] D. Ma, W. Ju, T. Li, X. Zhang, C. He, B. Ma, Z. Lu, Z. Yang, The adsorption of CO and
NO on the MoS2 monolayer doped with Au, Pt, Pd, or Ni: A first-principles study, Applied
Surface Science, 383 (2016) 98-105.

[42] H. Li, M. Huang, G. Cao, Markedly different adsorption behaviors of gas molecules on
defective monolayer MoS 2: a first-principles study, Physical Chemistry Chemical Physics, 18
(2016) 15110-15117.
[43] H.T. Nguyen, D.-Q. Hoang, T.P. Dao, C.V. Nguyen, H.V. Phuc, N.N. Hieu, D. Hoat, H.L.
Luong, H.D. Tong, K.D. Pham, The characteristics of defective ZrS2 monolayers adsorbed
various gases on S-vacancies: A first-principles study, Superlattices and Microstructures, 140
(2020) 106454.

55