Journal of the Korean Chemical Society (대한화학회지)

Korean Chemical Society (대한화학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Theoretical Investigation for the Adsorption of Atmospheric Harmful Gases on the Germanene Sheet

게르마닌 시트의 대기오염 기체 흡착에 대한 이론적 연구

  • 서현일 (한남대학교 생명나노과학대학 화학과) ;
  • 김동현 (한남대학교 생명나노과학대학 화학과) ;
  • 백수진 (한남대학교 생명나노과학대학 화학과) ;
  • 신창호 (KT&G 중앙연구원) ;
  • 김승준 (한남대학교 생명나노과학대학 화학과)
  • Received : 2020.07.30
  • Accepted : 2020.09.14
  • Published : 2020.12.20
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

The adsorption of various atmospheric harmful gases (COx, NOx, SOx) on graphene-like Germanene 2D sheet was theoretically investigated using density functional theory(DFT) method. The structures were fully optimized at the B3LYP/cc-pvDZ and CAM-B3LYP/cc-pvDZ levels of theory and confirmed to be a local minimum by the calculation of the harmonic vibrational frequencies. The adsorptions of gases on the Germanene sheet were predicted to be a physisorption process for CO, CO2, NO, and SO2 gases but to be a chemisorption process for NO2, SO, and SO2 gases.

본 연구는 그래핀과 유사한 IV족 나노 시트로서 말단을 수소로 처리한 게르마닌(Germanene) 이차원(2D) 시트에 여러 유해 가스(COx, NOx, SOx)를 흡착시켰을 때 구조적 변화와 흡착에너지를 이론적으로 계산하였다. 이론 방법은 밀도 범함수 이론(density functional theory, DFT) 가운데 B3LYP와 CAM-B3lYP을 사용하였으며, 바탕집합(basis set)으로는 cc-pvDZ를 사용하였다. 분자 구조를 각 이론 수준에서 최적화한 후 진동 주파수를 계산하여 열역학적으로 가장 안정한 분자 구조를 확인하였다. 게르마닌 시트에 기체의 흡착은 CO, CO2, NO, SO2 가스의 경우 물리 흡착을 나타내었으며, NO2, SO, SO2 등은 화학 흡착을 나타내었다.

Keywords

References

  1. Friedlingstein, P.; Andrew, R. M.; Rogelj, J.; Peters, G. P.; Canadell, J. G.; Knutti, R.; Luderer, G.; Raupach, M. R.;Schaeffer, M.; van Vuuren, D. P.; Le Quere, C. Nat. Geosci. 2014, 7, 709. https://doi.org/10.1038/ngeo2248
  2. Rani, B.; Singh, U.; Chuhan, A.; Sharma, D.; Maheshwari, R. J Adv Scient Res 2011, 2, 28.
  3. 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
  4. Wehling, T. O.; Novoselov, K. S.; Morozov, S. V.; Vdo-vin, E. E.; Katsnelson, M. I.; Geim, A. K.; Lichtenstein, A. I. Nano Lett. 2008, 8, 173. https://doi.org/10.1021/nl072364w
  5. 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
  6. 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
  7. Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Katsnelson, M. I.; Grigorieva, I. V.; Dubonos, S. V.; Firsov, A. A. Nature 2005, 438, 197 https://doi.org/10.1038/nature04233
  8. Jose, D.; Datta, A.; Account Chem. Res. 2013, 47, 593 https://doi.org/10.1021/ar400180e
  9. Balendhran, S.; Walia, S.; Nili H.; Sriram S.; Bhaskaran, M. Small 2015, 11, 640. https://doi.org/10.1002/smll.201402041
  10. Ni, Z.; Liu, Q.; Tang, K.; Zheng, J.; Zhou, J.; Qin, R.; Gao, Z.; Yu, D.; Lu, J.; Nano Lett 2012, 12, 113 https://doi.org/10.1021/nl203065e
  11. Houssa, M.; Scalise, E.; Sankaran, K.; Pourtois, G.; Afanasevev, V. V.; Stesmans, A. Appl. Phys. Lett 2011, 98, 223107. https://doi.org/10.1063/1.3595682
  12. Feng, J.-W.; Liu, Y.-J.; Wang, H.-X.; Zhao, J.-X.; Cai, Q.-H.; Wang, X.-Z. Comput. Mater. Sci. 2014, 87, 218. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2014.02.025
  13. Oughaddou, H.; Sawaya, S.; Goniakowski, J.; Aufray, B.; Le Lay, G.; Gray, J. M.; Trѐglia, G.; Biberian, J. P.; Barrett, N.; Guillot, C.; Mayne, A.; Dujardin, G. Phys. Rev. B 2000, 62, 16653. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.62.16653
  14. Li, L.; Lu, S. Z.; Pan, J.; Qin, Z.; Wang, Y. Q.; Wang, Y.; Cao, G. Y.; Du, S.; Gao, H. J. Adv. Mater. 2014, 26, 4820. https://doi.org/10.1002/adma.201400909
  15. Svec, M.; Hapala, P.; Ondracek, M.; Merino, P.; Blanco-Rey, M.; Mutombo, P.; Vondracek, M.; Polyak, Y.; Chab, V.; Martin Gago, J. A.; Jelinek, P. Phys. Rev. B 2014, 89, 201412. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.201412
  16. Davila, M. E.; Xian, L.; Cahangirov, S.; Rubio, A.; Le Lay, G. New J. Phys. 2014, 16, 095002. https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/9/095002
  17. Derivaz, M.; Dentel, D.; Stephan, D.; Hanf, M.-C.; Mehdaoui, A.; Sonnet, P.; Pirri, C. Nano Lett. 2015, 15, 2510. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b00085
  18. Zhang, L.; Bampoulis, P.; Rudenko, A. N.; Yao, Q.; van Houselt, A.; Poelsema, B.; Katsnelson, M. I.; Zandvliet, H. J. W. Phys. Rev. Lett. 2016, 116, 256804. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.256804
  19. Qin, Z.; Pan, J.; Lu, S.; Shao, Y.; Wang, Y.; Du, S.; Gao, H.-J.; Cao, G. Adv. Mater. 2017, 29, 1606046. https://doi.org/10.1002/adma.201606046
  20. Yuhara, J.; Shimazu, H.; Ito, K.; Ohta, A.; Araidai, M.; Kurosawa, M.; Nakatake, M.; Le Lay, G. ACS Nano 2018, 12, 11632. https://doi.org/10.1021/acsnano.8b07006
  21. Wang. X. Q.; Li, H. D.; Wang, J. T. Phys. Chem. Phys 2012, 14, 3031. https://doi.org/10.1039/c2cp23385a
  22. Bianco, E.; Butler, S.; Jiang, S.; Restrepo, O. D.; Windl, W.; Goldberger, J. E. ACS Nano 2013, 7, 4414. https://doi.org/10.1021/nn4009406
  23. Luo, X.; Zurek, E. J. Phys. Chem. C 2015, 120, 793. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b11770
  24. Nijamudheen, A.; Bhattacharjee, R.: Choudhury, S.: Datta, A. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 3802. https://doi.org/10.1021/jp511488m
  25. Ma, Y.; Dai, Y.; Niu, C.; Huang, B. J. Mater. Chem 2012, 22, 12587. https://doi.org/10.1039/c2jm30960b
  26. Shu, H.; Li, Y.; Wang, S.; Wang, J. J. Phys. Chem. 2015, 17, 4542.
  27. Ye, M.; Quhe, R.; Zheng, J.; Ni, Z.; Wang, Y.; Yuan, Y.; Tse, G.; Shi, J.; Gao, Z.; Lu, J. Physica E 2014, 59, 60. https://doi.org/10.1016/j.physe.2013.12.016
  28. Van Den Broek, B.; Houssa M.; Scalise, E.; Pourtois, G.; Afanas'Ev, V. V.; Stesmans, A. Appl. Surf. Sci. 2014, 291, 104. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.09.032
  29. Xia, W.; Hu, W.; Li, Z.; Yang, J. Phys. Chem. Phys 2014, 16, 22495. https://doi.org/10.1039/C4CP03292F
  30. Rubio-Pereda, P.; Takeuchi, N. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 27995. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b08370
  31. Gupta, S. K.; Singh, D.; Rajput, K.; Sonvane, Y. RSC Advances 2016, 6, 102264. https://doi.org/10.1039/C6RA11890A
  32. Nagarajan, V.; Chandiramouli, R. J. Mol. Liq. 2017, 234, 355. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.03.100
  33. (a) Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648. https://doi.org/10.1063/1.464913
  34. (b) Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B. 1988, 37, 785. https://doi.org/10.1103/physrevb.37.785
  35. Yanai, T.; Tew, D. P.; Handy, N. C. Chem. Phys. Lett. 2004, 393, 51. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2004.06.011
  36. 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.
  37. Baines, K. M.; Stibbs, W. G.; Coord Chem Rev 1995, 145, 157. https://doi.org/10.1016/0010-8545(95)90222-8
  38. Appelblad O; Fredin S; Lagerqvist A, Phys. Scr 1983, 28, 160. https://doi.org/10.1088/0031-8949/28/2/004