Studi energi penghalang (Barrier Energy) transfer proton molekul tetrazole pada beberapa medium

ABSTRAK:

Kebutuhan energi yang terus meningkat mendorong pengembangan teknologi energi yang lebih ramah lingkungan, salah satunya fuel cell. Kinerja fuel cell sangat dipengaruhi oleh material elektrolit dalam transfer proton. Tetrazole merupakan salah satu senyawa heterosiklik yang berpotensi sebagai material transfer proton karena memiliki jalur transfer proton yang fleksibel dan memungkinkan terjadinya perpindahan proton tanpa perlu membalik orientasi cincin. Namun, penelitian tentang energi penghalang transfer proton molekul tetrazole khususnya pada medium masih terbatas. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui konfigurasi molekul tetrazole dan tetrazole terprotonasi dengan energi terendah pada medium air dan DMSO, serta menentukan besar energi penghalang yang terjadi selama proses transfer proton pasangan molekul tetrazole. Perhitungan dilakukan secara komputasi menggunakan metode Density Functional Theory (DFT) pada level teori B3LYP/6-311++G** dengan basis set DFT-D4, sedangkan energi penghalang transfer proton dihitung menggunakan metode Nudged Elastic Band (NEB). Hasil penelitian menunjukkan bahwa tautomer Te1 merupakan konfigurasi molekul tetrazole paling stabil pada medium air maupun DMSO, sedangkan tautomer TeH⁺2 merupakan konfigurasi tetrazole terprotonasi paling stabil pada kedua medium. Stabilitas energi ini dijelaskan menggunakan energi relatif terendah, selisih energi HOMO-LUMO yang tinggi, dan stabilitas muatan atom Mulliken. Dari enam pasangan molekul yang dianalisis, hanya 3 pasangan molekul yang dapat melakukan proses transfer proton. Pasangan molekul simetris memiliki energi penghalang paling rendah, yaitu 0,067 eV pada medium air dan 0,074 eV pada medium DMSO, sehingga transfer proton paling mudah terjadi pada pasangan tersebut. Perbedaan konstanta dielektrik antara medium air dan DMSO tidak menunjukkan perbedaan terhadap konfigurasi molekul tetrazole dan tetrazole terprotonasi yang paling stabil maupun pasangan yang paling mudah melakukan transfer proton.

ABSTRACT:

The ever-increasing demand for energy is driving the development of more environmentally friendly energy technologies, one of which is the fuel cell. Fuel cell performance is greatly influenced by the electrolyte material in proton transfer. Tetrazole is a heterocyclic compound with potential as a proton transfer material because it has a flexible proton transfer pathway that allows proton transfer without the need to flip the ring orientation. However, research on the energy barriers for proton transfer in tetrazole molecules, particularly in solvents, remains limited. This study aims to identify the lowest- energy configurations of tetrazole and protonated tetrazole molecules in water and DMSO solvent, as well as to determine the magnitude of the energy barriers encountered during the proton transfer process between tetrazole molecules. Calculations were performed computationally using the Density Functional Theory (DFT) method at the B3LYP/6- 311++G** theory level with the DFT-D4 basis set, while the proton transfer barrier energy was calculated using the Nudged Elastic Band (NEB) method. The results of the study show that the Te1 tautomer is the most stable tetrazole molecular configuration in both water and DMSO, while the TeH⁺2 tautomer is the most stable protonated tetrazole configuration in both solvent. This energy stability is explained by the lowest relative energy, a high HOMO-LUMO energy difference, and Mulliken atomic charge stability. Of the six molecular pairs analyzed, only three were capable of undergoing proton transfer. The symmetric molecular pair had the lowest energy barrier, namely 0.067 eV in water and 0.074 eV in DMSO, making proton transfer most likely to occur in that pair. The difference in dielectric constant between water and DMSO did not affect the most stable configurations of the tetrazole and protonated tetrazole molecules, nor did it affect which pairs were most capable of proton transfer.

مستخلص البحث:

الحتياجات املتزايدة للطاقة تدفع إىل تطوير تكنولوجيا طاقة أكثر صداقة للبيئة، واحدة منها هي خالاي الوقود. أداء خلية الوقود يتأثر كمادة لنقل ال كبات احللقية غري املتجانسة اليت متتلك إمكانيةكبري مبواد اإللكرتوليت يف نقل الربوتون. الترتازول هو أحد املر بشكلربوتون ألنه ميتلك مسار نقل بروتون مرن ويسمح ابنتقال الربوتون دون احلاجة لتغيري اجتاه احللقة. ومع ذلك، الدراسات حول طاقة حاجز نقل الربوتون للجزيء الترتازول خاصة يف الوسط ما زالت حمدودة. يهدف هذا البحث إىل معرفة تكوين جزيء الترتازول والترتازول املؤين أبقل طاقةيف وسط ماء وDMSOكذلك حتديد مقدار طاقة احلاجز الذي حيدث خالل عملية نقل الربوتون بني أزواج جزيئات الترتازول، و.مت إجراء احلساابت بطريقة احلوسبة ابستخدام نظرية الكثافة الوظيفية(DFT)على مستوى نظريةB3LYP/6-311++G**مع جمموعة األساسDFT-D4، بينما مت حساب طاقة حاجز نقل الربوتون ابستخدام طريقةNudged Elastic Band (NEB).أظهرت نتائج البحث أن التتاومر Te1كل من الوسط املائي و هو أكثر تكوين جزيئي للترتازول استقرارًا يفDMSO، بينما التتاومرTeH⁺2هو أكثر تكوين ترتازول متأين كال الوسطني. يتم تفسري استقرار الطاقة هذا ابستخدام أدىن طاقة نسبية، وفارق طاقة استقرارًا يفHOMO-LUMOالعايل، واستقرار شحنة ذرة مولّكن.من بني ستة أزواج من اجلزيئات اليت مت حتليلها، فقط3أزواج من اجلزيئات ميكنها القيام بعملية نقل الربوتون. األزواج اجلزيئية املتماثلة هلا أدىن طاقة حاجز، وهي0.067إلكرتون فولت يف الوسط املائي و0.074إلكرتون فولت يف وسطDMSO، لذلك نقل الربوتون حيدث بسهولة أكرب يف هذه األزواج. اختالف اثبت العزل بني الوسط املائي وDMSOال يظهر فرقًا على تكوين جزيء الترتازول والترتازول ًتً وال على الزوج الذي ميكنه نقل الربوتون بسهولة الربوتوين األكثر ثبا.