Density functional calculations have been performed for the reactions of perfluoroalkylsilane and alkylsilane with silica surfaces. The (100) and (111) surfaces of ${\beta}-cristobalite$ are used as two possible models of the hydroxylated amorphous silica surface. This is the crystalline phase of silica with density and refractive index closest to those of amorphous silica. Moreover, two ${\beta}-cristobalite$ surfaces have the two types of silanol groups, namely the single silanols and the geminal silanols. We investigate the possible adsorption structure and formation energy of perfluoroalkylsilane and alkylsilane molecules with two type of silanol groups. The results will be compared with cluster and slab model.
The DFT and ab initio calculations have been performed to elucidate hydrogen interaction of HOOO-(H2O)n (n=1~5) clusters. The optimized geometries, harmonic vibrational frequencies, and binding energies are predicted at various levels of theory. The trans conformer of HOOO monomer is predicted to be thermodynamically more stable than cis form at the CCSD(T) level of theory. For HOOO-(H2O)n clusters, the geometries are optimized at B3LYP/aug-cc-pVTZ and CAM-B3LYP/aug-cc-pVTZ levels of theory. The binding energy of HOOO-H2O cluster is predicted to be 6.05 kcal/mol at the MP2//CAM-B3LYP/ aug-cc-pVTZ level of theory after zero-point vibrational energy (ZPVE) and basis set superposition error (BSSE) correction. The average binding energy per H2O is increased according to adding a H2O moiety in HOOO-(H2O)n clusters up to 7.2 kcal/mol for n=5.
The DFT and ab initio calculations have been performed to elucidate hydrogen interaction of hydrogen polyoxide dimers, $H_2O_n-H_2O_m$ (n=1-4, m=1-4). The optimized geometries, harmonic vibrational frequencies, and binding energies are predicted at various levels of theory. The harmonic vibrational frequencies of the molecules considered in this study show all real numbers implying true minima. The higher-order correlation effect were discussed to compare MP2 result with CCSD(T) single point energy. The binding energies were corrected for the zero-point vibrational energy (ZPVE) and basis set superposition errors (BSSE). The largest binding energy predicted at the CCSD(T)/cc-pVTZ level of theory is 8.18 kcal/mol for $H_2O_4-H_2O_3$ and the binding energy of water dimer is predicted to be 3.00 kcal/mol.
Kim, Sung-Hyun;Kim, Baek-Jin;Shin, Chang-Ho;Kim, Seung-Joon
Journal of the Korean Chemical Society
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v.61
no.1
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pp.16-24
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2017
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 $SO_x$.
Seo, Hyun-il;Kim, Jong-Min;Song, Hui-Sung;Kim, Seung-Joon
Journal of the Korean Chemical Society
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v.61
no.6
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pp.328-338
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2017
The density functional theory(DFT) and ab initio calculations have been applied to investigate hydrogen interaction of $H_2O_3(H_2O)_n$ clusters(n=1-5). The structures, IR spectra, and H-bonding energies are calculated at various levels of theory. The $trans-H_2O_3$ monomer is predicted to be thermodynamically more stable than cis form at the CCSD(T)/cc-pVTZ level of theory. For clusters, the geometries are optimized at the MP2/cc-pVTZ level of theory. The binding energy of $H_2O_3-H_2O$ cluster is predicted to be -6.39 kcal/mol at the CCSD(T)//MP2/cc-pVTZ level of theory after zero-point vibrational energy (ZPVE) and basis set superposition error (BSSE) correction. This result implies that $H_2O_3$ is a stronger proton donor(acid) than either $H_2O$ or $H_2O_2$. The average binding energies per $H_2O$ are predicted to be 8.25 kcal/mol for n=2, 7.22 kcal/mol for n=3, 8.50 kcal/mol for n=4, and 8.16 kcal/mol for n=5.
Kim, Sung-Hyun;Ko, Yoo-Mi;Shin, Chang-Ho;Kim, Seung-Joon
Journal of the Korean Chemical Society
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v.60
no.1
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pp.9-15
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2016
The theoretical investigation has been performed to predict detonation velocity, detonation pressure, and thermodynamic stability of HMX/LLM-116 cocrystal. All possible geometries of HMX, LLM-116, and cocrystal have been optimized at the B3LYP/cc-pVTZ level of theory. The binding energy for the trigger bond and cluster has been calculated to predict the thermodynamic stability. The MP2 binding energies were obtained using single point energy calculation at the B3LYP optimized geometries, and the density has been calculated from monte carlo integration. The detonation velocity and detonation pressure have been calculated using Kamlet-Jacobs equation, while enthalpy has been predicted at the CBS-Q level of theory.
The nitrogen reduction reaction (NRR), which produces NH3 by reducing N2 under ambient conditions, is attracting attention as a promising technology that can reduce energy consumption in industrial processes. We investigated the adsorption behaviors at various active sites on the Ni (100) surface, which is widely used among catalytic metal surfaces capable of adsorbing and activating N2, based on density-functional theory calculations. We also investigated two N2 adsorption structures, so-called end-on and side-on structures. We find that for the end-on case, N2 is adsorbed on a top site, and the reaction proceeded in a distal pathway, while for the side-on case, N2 is adsorbed on a bridge site, and the reaction proceeded with enzymatic pathway. Finally, this study provides insight into the adsorption of metal catalyst surfaces for the NRR reactions based on the calculated Gibbs free energy profiles of the thermodynamically most favorable pathways.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.36
no.6
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pp.442-450
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2014
Concern has grown over a presence of micropollutants in natural water since sulfonamide antibiotic substances such as sulfamethazine, sulfamethoxazole, sulfathiazole have been frequently detected in Nakdong River, Korea. The current work investigates the degradation of the three sulfonamide substances by using quantum chemistry calculations of density functional theory (DFT) and experimental measurement techniques of Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and ultraviolet-visible spectrophotometer (UV-VIS). DFT calculations demonstrate that the lowest energy gap between the highest occupied molecular orbital (HOMO) and the lowest unoccupied molecular orbitals (LUMO) lies in sulfanilamide functional group of sulfonamide, implying that the sulfanilamide functional group would be the most active site for ozone oxidation. Also, UV-VIS spectra and FT-IR analysis reveal that 260 nm band originated from sulfanilamide group was absent after ozone oxidation, indicating that a functional group of amine (N-H) was removed from sulfanilamide. Both theoretical and experimental observations agree well with each other, demonstrating the DFT calculation tool can be an alternative tool for the prediction of chemical reactions in purification treatment processes.
Magnesium (Mg) present in carbonate minerals as impurities has been used as a geochemical proxy to infer the environmental conditions where the minerals precipitated. The reliability of Mg geochemical proxies requires fundamental understanding of Mg incorporation into minerals based on accurate speciation of Mg 2+ in the crystal structure, which is determined mainly by application of X-ray absorption spectroscopy (XAS). However, high uncertainties are involved in interpreting the XAS spectra of minerals containing trace amount of Mg 2+. Because density function theory (DFT) can predict an XAS spectrum for a crystal structure, DFT calculations can reduce the uncertainties in the interpretation of the XAS spectrum. In this study, we calculated ab initio Mg K-edge absorption spectra of Mg silicates and (hydr)oxides based on DFT and analyzed the correlation between the calculated spectra and Mg structural parameters. Our ab initio Mg K-edge absorption spectra well reproduced the key features of the experimental spectra. The absorption-edge positions of the calculated spectra showed the weak positive correlation with the average Mg-O bond distance or Mg effective coordination number. The current study shows that DFT-based core-level spectroscopy method is a powerful tool in providing standard Mg K-edge spectra of diverse Mg minerals and determining the Mg chemical species within carbonate minerals.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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