Diaminoethane adsorption and water substitution on hydrated TiO2: a thermochemical study based on first-principles calculations

文献情報

出版日 2013-04-26
DOI 10.1039/C3CP44498H
インパクトファクター 3.676
著者

Jolanta Swiatowska, Catarina Pereira-Nabais, Philippe Marcus, Dominique Costa


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要旨

Epoxy-amines are used as structural adhesives deposited on Ti. The amine adhesion to a Ti surface depends highly on the surface state (oxidation, hydroxylation). Amines may adsorb above preadsorbed water molecules or substitute them to bind directly to surface Ti4+ Lewis acid sites. The adsorption of a model amine molecule, diaminoethane (DAE), on a model surface, hydrated TiO2-anatase (101) surface, is investigated using Density Functional Theory including Dispersive forces (DFT-D) calculations. DAE adsorption and water substitution by DAE are exothermic processes and turn nearly isoenergetic at high coverage with adsorption–substitution energies around −0.3 eV (including dispersion forces and ZPE). Complementary ab initio molecular dynamics studies also suggest that the formation of an amine–water interaction induces water desorption from the surface at room temperature, a preliminary step towards the amine–Ti bond formation. An atomistic thermodynamic approach is developed to evaluate the interfacial free energy balance of both processes (adsorption and substitution). The main contributions to the energetic balance are dispersive interactions between molecules and the surface on the exergonic side, translational and rotational entropic contributions on the endergonic one. The substitution process is stabilized by 0.55 eV versus the adsorption one when free solvation, rotational and vibrational energies are considered. The main contribution to this free energy gain is due to water solvation. The calculations suggest that in toluene solvent with a water concentration of 10−4 M or less, a full DAE layer replaces a preadsorbed water layer for a threshold concentration of DAE ≥ 0.1 M.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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