Journal of the Korean Chemical Society (대한화학회지)

Korean Chemical Society (대한화학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Theoretical Investigation for the Adsorption of Various Gases (COx, NOx, SOx) on the BN and AlN Sheets

N과 AlN 시트에 다양한 기체(COx, NOx, SOx)의 흡착에 관한 이론 연구

  • 김성현 (한남대학교 생명나노과학대학 화학과) ;
  • 김백진 (한남대학교 생명나노과학대학 화학과) ;
  • 신창호 (KT&G 중앙연구원) ;
  • 김승준 (한남대학교 생명나노과학대학 화학과)
  • Received : 2016.09.01
  • Accepted : 2016.11.17
  • Published : 2017.02.20
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

The adsorption of various atmospheric harmful gases ($CO_x$, $NO_x$, $SO_x$) on graphene-like boron nitride(BN) and aluminum nitride(AlN) sheets was theoretically investigated using density functional theory (DFT) and MP2 methods. The structures were fully optimized at the $B3LYP/6-31G^{**}$ and $CAM-B3LYP/6-31G^{**}$ levels of theory and confirmed to be a local minimum by the calculation of the harmonic vibrational frequencies. The MP2 single-point binding energies were computed at the $CAM-B3LYP/6-31G^{**}$ optimized geometries. Also the zero-point vibrational energy (ZPVE) and 50%-basis set superposition error (BSSE) corrections were included. The adsorptions of gases on the BN sheet were predicted to be a physisorption process and the adsorptions of gases on the AlN sheet were predicted to be a physisorption process for $CO_x$ and $NO_x$ but to be a chemisorption process for $SO_x$.

본 연구는 그래핀과 유사한 2차원 붕소-질소(BN)와 알루미늄-질소(AlN) 시트에 여러 대기 유해 가스($CO_x$, $NO_x$, $SO_x$)가 흡착될 때의 구조적 특징과 결합에너지를 밀도 범함수 이론(DFT)과 MP2 방법을 사용하여 연구하였다. 분자 구조는 $B3LYP/6-31G^{**}$와 $CAM-B3LYP/6-31G^{**}$이론 수준에서 최적화하고, 진동 주파수를 계산하여 열역학적으로 가장 안정한 분자 구조를 확인하였다. 결합에너지는 $MP2/6-31G^{**}$ 이론 수준에서 한 점(single point) 에너지를 계산하고, 영점 진동에너지(ZPVE)와 바탕집합 중첩에러(BSSE)를 모두 보정하였다. BN 시트에 가스의 흡착은 모두 물리흡착으로 예측되었으며, AlN 시트에 대한 가스 흡착은 $CO_x$나 $NO_x$에 대해서는 물리흡착이 그리고 $SO_x$에 대해서는 화학 흡착이 일어날 것으로 예측되었다.

Keywords

References

  1. Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666. https://doi.org/10.1126/science.1102896
  2. Henwood, D.; Carey, J. D. Phys. Rev. B 2007, 75, 245413. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.245413
  3. Kang, J.; Kim, H.; Kim, K. S.; Lee, S.-K.; Bae, S.; Ahn, J.-H.; Kim, Y.-J.; Choi, J.-B.; Hong, B. H. Nano Lett. 2011, 11, 5154. https://doi.org/10.1021/nl202311v
  4. Choi, H.; Choi, J. S.; Kim, J.-S.; Choe, J.-H.; Chung, K. H.; Shin, J.-W.; Kim, J. T.; Youn, D.-H.; Kim, K.-C.; Lee, J.-I.; Choi, S.-Y.; Kim, P.; Choi, C.-G.; Yu, Y.-J. Small 2014, 10, 3685. https://doi.org/10.1002/smll.201400434
  5. Pattanayak, J.; Kar, T.; Scheiner, S. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 2970. https://doi.org/10.1021/jp013904v
  6. Davis, R. F. Proc. IEEE 1991, 79, 702. https://doi.org/10.1109/5.90133
  7. Rubio, A.; Corkill, J. L.; Cohen, M. L. Phys. Rev. B 1994, 49, 5081. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.49.5081
  8. Chopra, N. G.; Luyken, R. J.; Cherrey, K.; Crespi, V. H.; Cohen, M. L.; Louie, S. G.; Zettl, A. Science 1995, 269, 966. https://doi.org/10.1126/science.269.5226.966
  9. Corso, M.; Auwarter, W.; Muntwiler, M.; Tamai, A.; Greber, T.; Osterwalder, J. Science 2004, 303, 217. https://doi.org/10.1126/science.1091979
  10. Novoselov, K. S.; Jiang, D.; Schedin, F.; Booth, T. J.; Khotkevich, V. V.; Morozov, S. V.; Geim, A. K. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 10451. https://doi.org/10.1073/pnas.0502848102
  11. Song, L.; Ci, L.; Lu, H.; Sorokin, P. B.; Jin, C.; Ni, J.; Kvashnin, A. G.; Kvashnin, D. G.; Lou, J.; Yakobson, B. I.; Ajayan, P. M. Nano Lett. 2010, 10, 3209. https://doi.org/10.1021/nl1022139
  12. Chigo Anota, E.; Hernandez Cocoletzi, H.; Rubio Rosas, E. Eur. Phys. J. D 2011, 63, 271. https://doi.org/10.1140/epjd/e2011-10608-4
  13. Jiao, Y.; Du, A.; Zhu, Z.; Rudolph, V.; Lu, G. Q.; Smith, S. C. Catal. Today 2011, 175, 271. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2011.02.043
  14. Galicia Hernandez, J.; Cocoletzi, G.; Anota, E. J. Mol. Model. 2012, 18, 137. https://doi.org/10.1007/s00894-011-1046-z
  15. Liu, H.; Turner, C. H. J. Comput. Chem. 2014, 35, 1058. https://doi.org/10.1002/jcc.23589
  16. Najafi, M. Appl. Surf. Sci. 2016, 384, 380. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.05.050
  17. Sakai, T.; Iwata, M. J. Cer. Soc. Jap. 1974, 82, 41.
  18. Chu, T. L.; Kelm Jr, R. W. J. Electrochem. Soc. 1975, 122, 995. https://doi.org/10.1149/1.2134385
  19. Areshkin, D. A.; Shenderova, O. A.; Adiga, S. P.; Brenner, D. W. Diamond Relat. Mater. 2004, 13, 1826. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2004.04.012
  20. Zhao, M.; Xia, Y.; Zhang, D.; Mei, L. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2003, 68, 2354151.
  21. Zhang, X.; Liu, Z.; Hark, S. Solid State Commun. 2007, 143, 317. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2007.05.039
  22. Yafei, L.; Zhen, Z.; Panwen, S.; Zhang, S. B.; Zhongfang, C. Nanotechnology 2009, 20, 215701. https://doi.org/10.1088/0957-4484/20/21/215701
  23. Jiao, Y.; Du, A.; Zhu, Z.; Rudolph, V.; Smith, S. C. J. Mater. Chem 2010, 20, 10426. https://doi.org/10.1039/c0jm01416h
  24. Ahmadi, A.; Hadipour, N. L.; Kamfiroozi, M.; Bagheri, Z. Sens. Actuators, B 2012, 161, 1025. https://doi.org/10.1016/j.snb.2011.12.001
  25. Beheshtian, J.; Baei, M. T.; Bagheri, Z.; Peyghan, A. A. Microelectronics J 2012, 43, 452. https://doi.org/10.1016/j.mejo.2012.04.002
  26. Rastegar, S. F.; Peyghan, A. A.; Ghenaatian, H. R.; Hadipour, N. L. Appl. Surf. Sci. 2013, 274, 217. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.03.019
  27. (a) Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648. https://doi.org/10.1063/1.464913
  28. (b) Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. 1988, B37, 785.
  29. Yanai, T.; Tew, D. P.; Handy, N. C. Chem. Phys. Lett. 2004, 393, 51. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2004.06.011
  30. Boys, S. F.; Bernardi, F. Mol. Phys. 1970, 19, 553. https://doi.org/10.1080/00268977000101561
  31. Tarakeshwar, P.; Choi, H. S.; Lee, S. J.; Lee, J. Y.; Kim, K. S.; Ha, T.; Jang, J. H.; Lee, J. G.; Lee, H. J. Chem. Phys. 1999, 111, 5838. https://doi.org/10.1063/1.479879
  32. M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Caricato, X. Li, H. P. Hratchian, A. F. Izmaylov, J. Bloino, G. Zheng, J. L. Sonnenberg, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, J. A. Montgomery, Jr., J. E. Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, J. J. Heyd, E. Brothers, K. N. Kudin, V. N. Staroverov, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, J. C. Burant, S. S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, N. Rega, J. M. Millam, M. Klene, J. E. Knox, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, V. G. Zakrzewski, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, S. Dapprich, A. D. Daniels, O. Farkas, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, J. Cioslowski, and D. J. Fox, Gaussian 09, Revision A; Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2009.