Investigation of zinc containing solutions and surfaces  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
68140
Type K
Principal investigator Bakó, Imre
Title in Hungarian Cinkiont tartalmazó oldatok és felületek szerkezetkutatása
Title in English Investigation of zinc containing solutions and surfaces
Keywords in Hungarian kölcsönhatás, felület, diffrakció, szimuláció
Keywords in English interaction, surface, diffraction, simulation
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Institute of Organic Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Participants Bálint, Szabolcs
Radnai, Tamás
Starting date 2007-07-01
Closing date 2012-06-30
Funding (in million HUF) 6.318
FTE (full time equivalent) 4.39
state closed project
Summary in Hungarian
A cinkion tanulmányozása oldatkémiai és felületkémiai szempontból már csak azért is különösen érdekes, mert a cinkion az egyike azon kevés kationoknak, amely mind szolvatáció, mind komplexképződés során rendkívül változatos szerkezeti variációkat tud felmutatni 4-8 koordinációs szám, eltérő szimmetriaviszonyok stb.
A folyadékok és oldatok szerkezetkutatását magába foglaló irodalom igen kiterjedt, azonban a mai napig kisszámú szerkezetet ismerünk elég részletesen, különösen a nagy koncentrációjú) telítési koncentrációhoz közeli) és a nem vizes oldatok területe felderítetlen. A cink néhány nem vizes elektrolitoldat szolvátszerkezetét és dinamikáját kívánjuk tanulmányozni röntgendiffrakciós és neutrondiffrakciós módszerrel, valamint molekuladinamikai (MD) szimulációval. Ezen belül különösen érdekes az átmenetifém ionok és azok sóinak, mint ZnX2 ahol X = Cl, I vagy ClO4 szolvatációja acetonitrilben (AN) és dimetilszulfoxidban (DMSO), formamidban és metanolban. A formamid egy egyszerű modellje lehet a fehérjeláncoknak, míg az AN és a DMSO segítségével a kis dielektromos állandójú közeget tudjuk szimulálni. A kutatások során kiderült, hogy az oldatok szerkezetének mikroszkopikus szintű tanulmányozásához a legcélravezetőbb módszer a kísérleti vizsgálatok és a molekuladinamikai szimulációk együttes alkalmazása.
Jelen pályázat keretében folytatni kívánjuk a metanol bomlásának vizsgálatát Pd-Zn és Pd-ZnO felületeken, továbbá eddigi számításainkat ki kívánjuk terjeszteni egyéb gyakorlati vonatkozású felületi reakciók modellezésére, a reakciók mechanizmusának feltárására. Vizsgálatainkat minden esetben szoros együttműködésben tervezzük Dr. Schennach-al (Grazi Műszaki Egyetem) aki spektroszkópiai, termikus deszorpciós és STM (alagútmikroszkóp) módszerek segítségével vizsgálják a Pd-Zn felület tulajdonságait. Ezeknek a vizsgálatoknak a fő célja a metanol adszorpciója során keletkező stabil intermedierek azonosítása, a felület katalitikus aktivitásának vizsgálata. Ehhez a munkához napjainkban elengedhetetlen az elméleti kémiai módszerek használata, amelyek lehetőséget szolgáltathatnak nekünk az adszorbeált molekulák pontos jellemzésére. Lehetőség van a vizsgált szerkezetekről STM képet is számolni, amelynek az összehasonlítása a kísérletileg mérhető STM képpel lehetővé teszi a felületi szerkezetek azonosítását. Ezt a munkát intézetünkben tervezzük elvégezni.
Summary
The investigation of Zn ion is very interesting because Zn is a cation, which exists with different coordination numbers. There are a large number of structural studies of liquids and solutions available, however certain interesting fields of solution chemistry (i.e. aqueous solutions close to the saturated concentration, non-aqueous solutions) are still less explored. We would like to study the solvation of Zn in non-aqueous solutions by diffraction and simulation methods The applied theoretical and experimental methods yield complementary information about the investigated systems.
The proposed research project investigate the chemical and physical properties of possible heterogeneous catalysts for both methanol dehydrogenation and methanol formation from carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen. The investigated model catalysts will be a Pd(111) – Zn surface alloy and a thin ZnO layers on Pd(111) surface. This system will be studied using surface science approach together with Professor Robert Schennach. We will investigate the reactivity of the surfaces using reflection absorption infrared spectroscopy, thermal desorption spectroscopy, temperature programmed reaction Our plan is to carry out scanning tunneling microscopy (STM) investigations on thin layers of oxides on metal substrates, surface structures of the methanol on metal surface systems. We are planning to calculate the adsorption geometry and energy, and also the IR spectra of CO, methanol and all possible intermediates on a single crystal surface. In addition, it is of the outmost importance to calculate not only structures, but also STM images using a DFT approach, in order to delineate the detailed structure of the surface alloys and oxide films.
The combination of the results from the reactivity studies and from the structural investigations will yield a complete picture of the microscopic processes that influence the mechanism of the model reactions.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A kismolekulák Pd/Zn felületi ötvözetein történő adszorpció során megmutattuk, hogy az adszorpciós energiák és a felület elektronszerkezete között összefüggés van. Megmutattuk hogy a felületi ötvözetben jelentős töltésvándorlás figyelhető meg a cinkről a palládium irányába. Elméleti eredményeinket kísérleti (STM, RAIRS) mérésekkel vetettük össze. Oldatfázisban új módszert vezettünk be mikroheterogenitások vizsgálatára. Kísérletileg és elmélti számítások segítségével bebizonyítottuk a hidroxidion körül a hiperkoordináció jelenlétét. Feltártuk a folyadék diklórmetán és nitrometán lokális szerkezetét szimulációs és röntgendiffrakciós mérések segítségével. Megmutattuk hogy a hidratált kationok első szférájában a vízmolekulák dipólusmomentuma jelentősen megnő. Megmutattuk hogy ennek a hatásnak 90%-a elektrosztatikus eredető. Az oktaéderes elrendeződésű vízmolekulák taszítják egymást, amely ezen vízmolekulák dipólusmomentumát csökkenteni igyekszik. A NaNO3 vizes oldatának szerkezetét vizsgáltuk széles koncentrációtartományban szimuláció és diffrakciós módszerek segítségével.
Results in English
We presented the correlation between the electronic structure of Pd/Zn surface alloy and the adsorption energies of small molecules on the surface. Significant charge transfer from Zn to Pd is observed in the surface alloy. Our theoretical results were compared to STM and RAIRS measurements. We introduced a new method in order to describe properly the microheterogenities exists in condensed phases. We prooved the existence of hyper-coordinated hydroxide anion in aqueous solution using X-ray diffraction and theoretical methods (CPMD and MD). We characterized the local order in liquid dicloromethane and nitromethane using X-ray diffraction and molecular dynamics simulation. We showed that the dipole moment of water molecules in the first hydration shell of any cations increases compared to bulk water molecules. According to our results this effect origins in roughly 90% from electrostatic interactions. Water molecules arranged in octahedral position repelled each other and resulted in the decrease of their dipole moments. We investigated the solution structure of NaNO3 in water in a wide concentration range using simulation and X-ray diffraction methods.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=68140
Decision
Yes





 

List of publications

  
P. Singnurkar, I. Bako, H. P. Koch, E. Demirci, A. Winkler, and R. Schennach: DFT and RAIRS Investigations of Methanol on Cu(110) and on Oxygen-Modified Cu(110), J. Phys.Chem C 2008, 112, 14034, 2008
Bakó, I.; Megyes, T.; Bálint, S.; Chihaia, V.:: Water-methanol Mixtures: Topology of Hydrogen Bonded Network, Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 32, 5004, 2008
Megyes, T.; Bálint, S.; Bakó, I.; Grósz, T.; Radnai, T; Sipos, P: The Structure of Sodium Hydroxide Solutions – a Combined Solution X-ray Diffraction and Simulation Study, J. Chem. Phys. 2008,128, 044501, 2008
Megyes, T.; Bálint, S.; Grósz, T.; Radnai, T; Almásy, L.; Bakó, I.:: Structure of Liquid Nitromethane: Comparison of Simulation and Diffraction Studies,, J. Chem. Phys. 2007,126, 164507, 2008
Bakó I. , R. Schennach, Pálinkás G.: Theoretical investigation of CO adsorption on Pd(111) and Pd(111-Zn system”, J. Phys: Conferences Series 2008, 100, 052067, 2008
Bálint, S.; Bakó, I.; Grósz, T.; Megyes, T.:: Structure of Liquid Methylene Chloride: Molecular Dynamics Simulation Compared to Diffraction Experiments,, J. Mol. Liq. 2007,136, 257,, 2008
Megyes T., Bálint S., Bakó I., Grósz T., H. Krienke, Peter, E.: Solution structure of NaNO3 in water: diffraction and molecular dynamics simulation study, J. Phys. Chem. B 2009, 113, 4054, 2009
Stirling A., Bakó I., Kocsis L., Hajba L., Mink J.: Pt(II)-ion hydration: Structural and vibrational characteristics from theory and experiment, Int. J. Quant. Chem. 2009, 109, 2591, 2009
Weirum, G.; Kratzer, M.; Koch, H. P.; Tamtgl, A.; Killmann, J.; Bako, I.; Winkler, A.; Surnev, S.; Netzer F. P.; Schennach R.: Growth and Desorption Kinetics of Ultrathin Zn Layers on Pd(111), J. Phys. Chem. C 2009, 113, 9788., 2009
Vacha, R.; Megyes T., Bako I.; Pusztai L., Jungwirth, P.: Benchmarking polarizable molecular dynamics simulations of aqueous sodium hydroxide by diffraction measurements, J. Phys. Chem. A113 16, 2009
Koch HP, Bako I, Schennach R: Adsorption of small molecules on a (2 x 1) PdZn surface alloy on Pd(111), SURFACE SCIENCE 2010,604, 596, 2010
H.P. Koch, I. Bako , G. Weirum, M. Kratzer, R. Schennach: A theoretical study of Zn adsorption and desorption on a Pd(111) substrate, Surface Science 2010,604 926, 2010
Bako I, Megyes T, Balint S, et al.: Hydrogen bonded network properties in liquid formamide, JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS 2010, 132, 014506, 2010
H. P. Koch, I. Bako, R. Schennach: Adsorption of small molecule on PdZn and PdZnO layer, 2010 ECOS28 Peking, 2011
Megyes, T.; Bálint, Sz.; Grósz, T.; Krienke, H.; Belissent-Funel, M. C.; Bakó I.;: Solution Structure of NaNO3 in Water: Diffraction and Molecular Dynamics Simulation Study, lecture, ESF-FWF Conference, International Workshop: Aqueous Solutions and their Interfaces,Heraklion, Crete, Greece, 2008
Imre Bakó, Szabolcs Bálint, Tünde Megyes and Viorel Chihaia: H-bond network cooperativity in liquid water, XIX. International Conference on "Horizons in Hydrogen Bond Research" 12-17 September Gottingen, 2010
Imre Bakó, Szabolcs Bálint, Tünde Megyes and Viorel Chihaia: Hydrogen bond network topology in aqueous solutions, XVIII In. Conference on Horisons on Hydrogen bond research, 14-18 September 2009, Paris, France, 2009




 

Events of the project

  
2012-01-03 13:02:34
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Szerkezeti Kémiai Intézet (MTA Természettudományi Kutatóközpont), Új kutatóhely: Szerves Kémiai Intézet (MTA Természettudományi Kutatóközpont).



Back »