과학연구

Fe3O4 (001), (011), (111)표면우에서 레몬산의 흡착특성

 2022.11.1.

경애하는 김정은동지께서는 다음과 같이 말씀하시였다.

《정보기술, 나노기술, 생물공학을 비롯한 핵심기초기술과 새 재료기술, 새 에네르기기술, 우주기술, 핵기술과 같은 중심적이고 견인력이 강한 과학기술분야를 주타격방향으로 정하고 힘을 집중하여야 합니다.》

우리의 연구에서는 자성산화철의 (001), (011), (111)표면들우에서 레몬산의 흡착특성을 제1원리적으로 밝혔다.

자성산화철결정의 공간군은 FD-3M이며 여기서 a=b=c, α=β=γ=90°이다. 상태방정식을 리용하여 살창파라메터 a를 결정하였으며 이때 a는 8.28Å로부터 8.79Å까지 변화시켰다. 자성산화철단위포이 총에네르기는 a=8.54Å에서 최소값을 가지며 이것은 실험값(a=8.40Å)과 잘 맞는다.

표면안정성을 비교하기 위하여 각이한 말단을 가진 (001), (011), (111)표면들이 생성되였으며 이때 웃표면과 아래표면사이의 호상작용을 무시하기 위하여 30Å의 진공층을 삽입하였다. (001)표면에서는 8개의 층, (011)표면에는 4개의 층, (111)표면에는 12개의 층을 포함시켰다. 매 표면은 28개의 원자들, 즉 12개의 Fe원자들과 16개의 O원자들로 이루어져 있다. 표면완화과정에 14개의 웃표면원자들, 즉 (001)표면에서는 4개층, (011)표면에서는 2개층, (111)표면에서는 6개층을 완화시켰으며 나머지 14개원자들은 고정시켰다.

각이한 말단을 가진 (001), (011), (111)표면들의 표면에네르기를 비교한 결과 Fe말단을 가진 (001)표면은 가장 작은 표면에네르기값을 가지며 Fe말단을 가진 (111)표면은 가장 큰 표면에네르기값을 가진다. 이것은 Fe말단을 가진 (001)표면이 에네르기적으로 제일 형성되기 쉬우며 Fe표면이 제일 형성되기 어렵다는것을 보여준다. (001), (011), (111)표면들을 비교하면 (001)표면이 제일 형성되기 쉬우며 (111)표면이 제일 형성되기 어렵다.

그러나 (001), (011), (111)표면으로의 레몬산의 흡착에네르기를 비교하면 (111)표면이 Fe말단을 제외하고 제일 큰 흡착에네르기를 가지며 (001)표면이 제일 작은 흡착에네르기를 가진다. 이것은 (111)표면이 레몬산흡착에 대하여 제일 활성이 높으며 (001)표면이 제일 활성이 낮다는것을 의미한다.

레몬산이 흡착된 각이한 말단을 가진 (001), (011), (111)표면의 부분상태밀도는 Fe 3d궤도가 흡착에 기여하지 않으며 Fe의 4s궤도와 O의 2s 및 2p궤도가 흡착에 기여한다는것을 보여준다.

우리의 연구결과는 국제학술잡지《Journal of Molecular Modeling》에《Adsorption characteristics of citric acid on Fe3O4 (001), (011), and (111) surfaces》 (https://doi.org/10.1007/s00894-021-04950-7)의 제목으로 발표되였다.