Quantum chemical simulation of MoO3 dispergation on hydroxylated SiO2 surface
Authors:   Chuiko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine, Nasiedkin D. B. , Nazarchuk M. O. ,   Chuiko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine, Grebenyuk A. G. ,   Chuiko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine, Sharanda L. F. ,   Chuiko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine, Plyuto Yu. V. ,   Chuiko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine
Published: December 2021

Метою даної роботи є оцінка енергетичної сприятливості утворення різних молібдатних груп (≡Si‑O‑)2Mo(=O)2 та =Si(‑O‑)2Mo(=O)2 під час термічно ініційованого диспергування MoO3 на гідроксильованій поверхні SiO2. Для цього було здійснено квантовохімічне моделювання реакції O12Si10(OH)16 + MoO3 = O12Si10(OH)14O2MoO2 + H2O в температурному інтервалі 300–1100 K із використанням обмеженого методу Хартрі-Фока (наближення ЛКАО) з валентним базисом SBKJC (Stevens-Basch-Krauss-Jasien-Cundari). Кластер O12Si10(OH)16, який являє собою структурний фрагмент кристала β‑кристобаліту, був використаний як модель високогідроксильованої поверхні кремнезему. Ми розглянули дві структури молібдатних груп (≡Si‑O‑)2Mo(=O)2, прикріплених до кремнеземного кластера O12Si10(OH)16 через силанольні групи. Молібдатні групи (Etot ‑584.60147 Hartree), прикріплені до кремнеземного кластера через віддалені силанольні групи, виявляються більш енергетично вигідними, ніж молібдатні групи (Etot ‑584.56565 Hartree), прикріплені до кремнеземного кластера через сусідні силанольні групи. Енергія молібдатних груп =Si(‑O‑)2Mo(=O)2 (Etot ‑584.48399 Hartree), прикріплених до кремнеземного кластера O12Si10(OH)16 через силандіольні групи, менш енергетично вигідні в порівнянні з подібними групами, прикріпленими через силанольні групи, через більше напруження кута між зв’язками. Знайдено, що реакція O12Si10(OH)16 + MoO3 = O12Si10(OH)14O2MoO2 + H2O в температурному інтервалі 300–1100 K, змодельована шляхом квантовохімічних розрахунків, свідчить, що процес диспергування MoO3 на гідроксильованій поверхні SiO2 є енергетично вигідним. Експ The aim of the present work is to evaluate the energetic favourability of the formation of different molybdate species (≡Si‑O‑)2Mo(=O)2 and =Si(‑O‑)2Mo(=O)2 during the thermally induced MoO3 dispergation on hydroxylated SiO2 surface. In order to do this a quantum chemical modelling of the reaction O12Si10(OH)16 + MoO3 = O12Si10(OH)14O2MoO2 + H2O within the temperature interval of 300–1100 K was undertaken using the Restricted Hartree-Fock method (the LCAO approximation) with the SBKJC (Stevens-Basch-Krauss-Jasien-Cundari) valence basis set. The cluster O12Si10(OH)16 which represents a structural fragment of a β‑cristobalite crystal was used in this work as a model of highly hydroxylated silica surface. We considered two structures of molybdate (≡Si‑O‑)2Mo(=O)2 species attached to O12Si10(OH)16 silica cluster via silanol groups. Molybdate species (Etot ‑584.60147 Hartree) attached to silica cluster via distant silanols appeared more energetically favourable than molybdate species (Etot ‑584.56565 Hartree) attached to silica cluster via nearby silanols. The energy of molybdate =Si(‑O‑)2Mo(=O)2 species (Etot ‑584.48399 Hartree) attached to O12Si10(OH)16 silica cluster via silanediol group is less favourable energetically in comparison with those attached via silanol groups because of higher bond angle straining. The reaction O12Si10(OH)16 + MoO3 = O12Si10(OH)14O2MoO2 + H2O in the temperature interval of 300–1100 K which simulates by quantum chemical calculations the dispergation of MoO3 on hydroxylated SiO2 surface was found to be energetically favourable. The experimentally optimised temperature of ca. 800 K required for dispergation of MoO3 on hydroxylated SiO2 surface is determined by MoO3 evaporation and transportation via the gas phase. ериментальна оптимальна температура (близько 800 K), потрібна для диспергування MoO3 на гідроксильованій поверхні SiO2, визначається випаровуванням та перенесенням MoO3 в газовій фазі.