A Density Functional Theory Study on using Montmorillonite to Reduce Air Pollution

Authors

Triati Dewi Kencana Wungu, Nuclear Physics and Biophysics Research Group, Department of Physics, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Institut Teknologi Bandung, Bandung 40132, IndonesiaFollow
Meqorry Yusfi, Instrumentation and Computational Physics Research Group, Department of Physics, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Institut Teknologi Bandung, Bandung 40132, Indonesia
Suprijadi Suprijadi, Research Center for Nanosciences and Nanotechnology, Institut Teknologi Bandung, Bandung 40132, Indonesia

Abstract

In this study, density functional theory (DFT) method is used to investigate the possibility of using a smectite clay mineral called montmorillonite (MMT) in reducing heavy metals, such as Cd, through Cd adsorption. The mechanism of Cd adsorption in MMT is observed theoretically, and the tetrahedrally isomorphic substitution on the upper layer of MMT is considered to observe the role of Al and Fe in strengthening Cd adsorption. Two types of MMT are modeled in this study: Al-MMT and Fe-MMT. The Al-MMT means that Al substitutes one atom in the upper tetrahedral layer of MMT, while Fe-MMT means that Fe substitutes one atom in the upper tetrahedral layer of MMT. According to the DFT calculation, Cd is adsorbed relatively strongly to Al-MMT compared with Fe-MMT, with Cd adsorption energy of –4.55 eV and –2.43 eV for Al-MMT and Fe-MMT, respectively. The density-of-state analysis shows that Cd helps reduce the gap between the highest valence-band energy and lowest conduction-band energy of Al-MMT and Fe-MMT. Thus, Cd/Al-MMT and Cd/Fe-MMT behave in a manner similar to a semiconductor.

Bahasa Abstract

Suatu Kajian Teori Fungsional Kerapatan tentang Penggunaan Monmorilonit untuk Mengurangi Polusi Udara. Dalam penelitian ini metode density functional theory (DFT) digunakan untuk meneliti kemungkinan mineral lempung smektit, yang disebut montmorillonit (MMT), untuk mereduksi logam berat seperti Cd melalui penyerapan Cd. Mekanisme penyerapan Cd dalam MMT diamati secara teoritis dan substitusi isomorfik tetrahedral di lapisan atas MMT dilakukan untuk melihat bagaimana peran Al dan Fe dalam memperkuat adsorpsi Cd. Ada dua jenis MMT yang dimodelkan dalam penelitian ini yaitu model Al-MMT dan Fe-MMT. Pada model Al-MMT, substitusi Al dilakukan pada lapisan tetrahedral atas MMT, sedangkan pada model Fe-MMT maka Fe menggantikan salah satu atom dalam lapisan tetrahedral atas MMT. Dari perhitungan DFT diperoleh bahwa adsoprsi Cd pada Al-MMT relative lebih kuat dibandingkan dengan Fe-MMT. Hal ini dapat dilihat dari energi adsorpsi Cd pada Al-MMT sebesar -4.55 eV dan pada Fe-MMT sebesar -2.43 eV. Hasil analisis density of states menunjukkan bahwa Cd memberikan kontribusi terhadap penyempitan band gap antara pita valensi maksimum dan pita konduksi minimum. Oleh karena itu, Cd/Al-MMT dan Cd/Fe-MMT menunjukkan perilaku seperti semikonduktor.

References

1. A.A. Mohammadi, A. Zarei, S. Majidi, A. Ghaderpoury, Y. Hashempour, M.H. Saghi, A. Alinejad, M. Yousefi, N. Hosseingholizadeh, M. Ghaderpoori, MethodsX. 6 (2019) 1642.
2. J.Y. Chung, S.D. Yu, Y.S. Hong, J. Prev. Med. Pub. Health. 47 (2014) 253.
3. H.I. Afridi, T.G. Kazi, M.K. Jamali, G.H. Kazi, M. B. Arain, N. Jalbani, G.Q. Shar, Spectrosc. Lett. 39 (2006) 203.
4. D.C. Bellinger, Birth Defects Research Part A - Clin. Mol. Teratology. 73 (2005) 409.
5. T. Inaba, E. Kobayashi, Y. Suwazono, M. Uetani, M. Oishi, H. Nakagawa, K. Nogawa, Toxicol. Lett. 159 (2005) 192.
6. L. Järup, M. Berglund, C.G. Elinder, G. Nordberg, M. Vahter, Scand. J. Work Environ. Health. 24 (1998) 1.
7. D. Beyersmann, A. Hartwig, Arch. Toxicol. 82 (2008) 493.
8. M.D. Somoano, M.E. Kylander, M.A. López-Antón, I. Suárez-Ruiz, M.R. Martínez-Tarazona, M. Ferrat, B. Kober, D.J. Weiss, Environ. Sci. Technol. 43 (2009) 1078.
9. P. Xu, Y. Chen, S. He, W. Chen, L. Wu, D. Xu, Z. Chen, X. Wang, X. Lou, Chemosphere. 246 (2020) 125777.
10. M.F. Hamza, Y. Wei, A. Benettayeb, X. Wang, E. Guibal, J. Mater. Sci. 55 (2020) 4193.
11. C. Wang, H. Yin, L. Bi, J. Su, M. Zhang, T. Lyu, M. Cooper, G. Pan, J. Hazard. Mater. 384 (2020) 121461.
12. J. Wei, M.F.A. Aboud, I. Shakir, Z. Tong, Y. Xu, ACS Appl. Nano Mater. 3 (2020) 806.
13. W. Liu, Y. Li, Y. Feng, J. Qiao, H. Zhao, J. Xie, Y. Fang, S. Shen, S. Liang, Sci. Rep. 10 (2020) 858.
14. L. Wang, X. Li, D.C.W. Tsang, F. Jin, D. Hou, J. Hazard. Mater. 387 (2020) 122005.
15. S. Yan, Y. Cai, H. Li, S. Song, L. Xia, Environ. Pollut. 252 (2019) 1509.
16. Z.-X Chen, H.-R Zhu, Z.-J Zhou, Q.-X Zhao, J. Agr. Res. Environ. 36 (2019) 528.
17. L. Mei, H. Tao, C. He, X. Xin, L. Liao, L. Wu, G. Lv, J. Nanomater. 2015 (2015) 925268.
18. H. Du, W. Chen, P. Cai, X. Rong, K. Dai, C.L. Peacock, Q. Huang, Sci. Rep. 6 (2016) 19499.
19. K.G. Bhattacharyya, S.S Gupta, Ind. Eng. Chem. Res. 46 (2007) 3734.
20. E. Scholtzova, D. Tunega, J. Madejova, H. Palkova, P. Komadel, Vib. Spectrosc. 66 (2013) 123.
21. C.F. Ferreira, S.H. Pulcinelli, L. Scolfaro, P.D. Borges, ACS Omega. 4 (2019) 14369.
22. K.E. Adraa, T. Geordelin, J.-F. Lambert, F. Jaber, F. Tielens, M. Jaber, Chem. Eng. J. 314 (2017) 406.
23. M.M. Wahba, A.M. Zaghloul, J. Appl. Sci. Res. 3 (2007) 421.
24. T. Undabeytia, E. Morillo, C. Maqueda, Clay Miner. 31 (1996) 485.
25. P. Stathi, I.T. Papadas, A. Tselepidou, Y. Deligiannakis, Global NEST J. 12 (2010) 248.
26. G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B 48 (1998) 13115.
27. G. Kresse, Furthm¨uller, Phys. Rev. B 54 (1996) 11169.
28. J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 3865.
29. H.J. Monkhorst, J.D. Pack, Phys. Rev. B 13 (1976) 5188.
30. H. Wang, Y. Ji, J. Chen, G. Li, T. An, Sci. Rep. 5 (2015) 15059.
31. X. Liu, X. Lu, E. J. Meijer, R. Wang, H. Zhou, Geochim. Cosmochim. Acta. 81 (2012) 56.

Recommended Citation

Wungu, Triati Dewi Kencana; Yusfi, Meqorry; and Suprijadi, Suprijadi (2020) "A Density Functional Theory Study on using Montmorillonite to Reduce Air Pollution," Makara Journal of Technology: Vol. 24: Iss. 3, Article 1.
DOI: 10.7454/mst.v24i3.3592
Available at: https://scholarhub.ui.ac.id/mjt/vol24/iss3/1