Исследование донорно-акцепторных свойств аморфных полупроводников на основе нанокластеров нефтяных асфальтенов

Михаил Юрьевич Доломатов, Светлана Александровна Шуткова, Рауф Загидович Бахтизин, Талгат Ишмухамедович Шарипов, Олег Леонидович Рыжиков, Карина Айдаровна Гильманшина

Аннотация


Проведено исследование донорно-акцепторных свойств аморфных полупроводников на основе нанокластеров нефтяных асфальтенов. Определена молекулярная и электронная структура нанокластеров, состоящих из молекулярных фрагментов нефтяных асфальтенов «континентального» типа. Объектами исследования являются асфальтены гудрона ЗападноСибирской нефти. Выделение и разделение асфальтенов проводилось на аппарате Сокслета по методике И. Р. Хайрудинова. Регистрация спектров поглощения растворов в диапазоне 280–780 нм проводилась на спектрофотометре СФ-2000. В процессе изучения спектров поглощения асфальтенов и углеводородных систем различного происхождения методом оптической спектроскопии установлено, что асфальтеновая фракция является сильным донором и акцептором электронов. Значения эффективного потенциала ионизации находятся в пределах от 5,29 до 5,59 эВ, значения эффективного сродства к электрону – от 1,80 до 1,85 эВ, значения ширины запрещенной зоны — от 3,49 до 3,74 эВ. Исследование электронной структуры молекулярных фрагментов наночастиц асфальтенов проведено методом DFT/B3LYP с базисным набором 6-31+G* с использованием программного пакета GAUSSIAN. Расчет нанокластеров асфальтенов, образованных молекулярными фрагментами, был проведен методом молекулярной механики ММ+. Квантовохимические расчеты показали, что первый вертикальный потенциал ионизации равен 6,07 эВ, сродства к электрону — 1,22 эВ, энергия активации проводимости принимает значения в интервале от 0,99 до 1,96 эВ, что в целом отражает результаты эксперимента. Данная закономерность подтверждается при исследовании электропроводности асфальтенов и концентратов на их основе. Показано, что наиболее устойчивыми являются наноагрегаты, состоящие из 6–10 нафтено-ароматических пластин.

Полный текст:

PDF

Литература


Elbing M., Ochs R., Koentopp M., Fischer M., Hanisch C., Weigend F., Evers F., Weber H.B., Mayor M. A Single-Molecule Diode // Proceedings of the National Academy of Sciences Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005. No. 102. P. 8815.

Bracciale M., Sennato S., Marrocchi A. On Evaluating Organic Electronic Materials of Asphaltene Components // Sixth International Meeting on Molecular Electronics. 03–07 December 2012, Grenoble, France. P. 285.

Speight J.G. Handbook of Petroleum Analysis. JohnWiley & Sons, 2001. 480 p.

Sharma C.D., Bhagat S.D., Erhan S.Z. Maltenes and Asphaltenes of Petroleum Vacuum Residues: Physico-Chemical Characterization // Petroleum Science and Technology. 2007. No. 25. P. 93-104.

Унгер Ф.Г., Андреева Л.Н. Фундаментальные аспекты химии нефти. Природа смол и асфальтенов. Новосибирск: Наука, 1995. 192 с.

Hortal A.R., Martinez-Haya В., Lobato M.D., Pedrosa J.M., Lago S. On the Determination of Molecular Weight Distributions of Asphaltenes and Their Aggregates in Laser Desorption Ionization Experiments // J. Mass Spectrom. 2006. Vol. 41. No. 7. Р. 960–968.

Groenzin H., Mullins O.C. Molecular Size and Structure of Asphaltenes from Various Sources // Energy Fuels. 2000. Vol. 14, No 3. P. 677.

Andrews A.B., Edwards J.C., Pomerantz A.E., Mullins O.C., Dennis Nordlund D.K. Comparison of Coal-Derived and Petroleum Asphaltenes by 13C Nuclear Magnetic Resonance // DEPT, and XRS Energy Fuels. 2011.

Vol. 25. No. 7. P. 3068.

Mullins O.C., Sheu E.Y. Structures and Dynamics of Asphaltenes. Springer Science+Business Media, LLC, 1998. 293 p.

Mitra-Kirtley S., Mullins O.C., Van Elp J., George S.J., Chen J., Cramer S.P. Determination of the Nitrogen Chemical Structures in Petroleum Asphaltenes Using XANES Spectroscopy. J. Am. Chem. Soc. 1993. Vol. 115. No. 1. P. 252–258.

Sabbah H., Morrow A.L., Pomerantz A.E., Zare R.N. Evidence for Island Structures as the Dominant Architecture of Asphaltenes // Energy Fuels. 2011. Vol. 25. No. 4. P. 1597–1604.

Варфоломеев Д.Ф., Доломатов М.Ю., Хайрутдинов И.Р., Унгер Ф.Г. К вопросу о донорно-акцепторных взаимодействиях при растворении асфальтенов // Достижения в исследовании высокомолекулярных соединений нефти. Томск, 1985. С. 11.

Дезорцев С.В., Доломатов М.Ю., Шуткова С.А. Технология получения полупроводниковых материалов на основе нефтяных асфальтенов // Химическая технология. 2012. Т. 13. № 2. С. 88–92.

Доломатов М.Ю., Дезорцев С.В., Шуткова С.А., Шуляковская Д.О. Асфальто­смолистые вещества и продукты на их основе как возможные материалы для наноэлектроники // Наукоемкие технологии. 2012. Т. 13. № 6. С. 18-22.

Dolomatov M.Yu., Desortsev S.V., Shutkova S.A. Ashaltenes of Oil and Hydrocarbon Distillates as Nanoscale Semiconductors // Journal of Materials Science and Engineering. 2012. Vol. 2. No. 2. P. 151–157.

Хайрудинов И.Р., Султанов Ф.М., Теляшев Э.Г. Современные процессы сольвентной деасфальтизации нефтяных остатков. Уфа: Изд-во ГУП ИНХП РБ. Серия «Библиотека нефтепереработчика», 2011.

с.

Доломатов М.Ю., Шуляковская Д.О. Оценка физико-химических свойств многокомпонентных углеводородных систем по интегральным характеристикам электронных спектров поглощения // Химия и технология топлив и масел. 2013. № 2. С. 49–52.

Dolomatov M.Yu., Shulyakovskaya D.O., Mukaeva G.R., Yarmukhametova G.U., Latypov K.F. Simple Characteristics Estimation

Methods of Material and Molecule Electronic Structure // Journal of Materials Science and Engineering. 2012. Т. 2. No. 4. P. 261–268.

Доломатов М.Ю., Марушкин А.Б., Гимаев Р.Н., Селивестров М.М. Термодинамика формирования надмолекулярной структуры асфальтенов // Химия твердого топлива. 1989. № 6. С. 83–86.

Petrov A.M., Dolomatov M.Yu., Bakhtizin R.Z., Ryzhikov O.L., Khayrudinov I.R. Features of Temperature Dependence of Electrical Conductivity in Multicomponent Organic Spin Glasses // Inorganic Materials: Applied Research. 2016. Vol.7. Issue 4. P. 453–457.


Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.