Conceptual design of tetraazaporphyrin- and subtetraazaporphyrin-based functional nanocarbon materials: electronic structures, topologies, optical properties, and methane storage capacities

文献情報

出版日 2016-04-12
DOI 10.1039/C5CP07552A
インパクトファクター 3.676
著者

Rodion V. Belosludov, Hannah M. Rhoda, Ravil K. Zhdanov, Vladimir R. Belosludov, Yoshiyuki Kawazoe, Victor N. Nemykin


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要旨

A large variety of conceptual three- and fourfold tetraazaporphyrin- and subtetraazaporphyrin-based functional 3D nanocage and nanobarrel structures have been proposed on the basis of in silico design. The designed structures differ in their sizes, topology, porosity, and conjugation properties. The stability of nanocages of Oh symmetry and nanobarrels of D4h symmetry was revealed on the basis of DFT and MD calculations, whereas their optical properties were assessed using a TDDFT approach and a long-range corrected LC-wPBE exchange–correlation functional. It was shown that the electronic structures and vertical excitation energies of the functional nanocage and nanobarrel structures could be easily tuned via their size, topology, and the presence of bridging sp3 carbon atoms. TDDFT calculations suggest significantly lower excitation energies in fully conjugated nanocages and nanobarrels compared with systems with bridging sp3 carbon fragments. Based on DFT and TDDFT calculations, the optical properties of the new materials can rival those of known quantum dots and are superior to those of monomeric phthalocyanines and their analogues. The methane gas adsorption properties of the new nanostructures and nanotubes generated by conversion from nanobarrels were studied using an MD simulation approach. The ability to store large quantities of methane (106–216 cm3 (STP) cm−3) was observed in all cases with several compounds being close to or exceeding the DOE target of 180 cm3 (STP) cm−3 for material-based methane storage at a pressure of 3.5 MPa and room temperature.

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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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