The Availability of Automobile Catalytic Convert of Copper Based on the DFT Calculations of Cu-NO Complexes

The purpose of this study is to show the possibility of using Cu catalyst in removal of $NO_x$ from automobile exhaust which is regarded as the primary source of fine dust PM2.5. The energy and the bond lengths of the three possible structures of Cu-NO complex, which is formed by binding NO molecule to Cu, and the changes in IR and Raman spectra are calculated using MPW1PW91 method on the level of 6-311(+)G(d,p) of basis sets with Gaussian 09 program. As a result, the enthalpy of formation of the Cu-NO complexes are obtained as ${\Delta}H=104.89$, 91.98, -127.48 kJ/mol for the linear, bent, and bridging forms of them, respectively. And the bond lengths between N and O in NO complexes, which becomes longer than NO molecule, indicates that O is easily reduced from Cu-NO. In addition, the Cu-NO complexes using Cu catalyst can be easily measured by infrared or Raman spectroscopy because in the IR and Raman spectra of the NO and Cu-NO complexes the positon and the intensity of bands are definitely different in each vibration mode.

Cu-NO 복합체에 대한 DFT 계산에 따른 Cu의 자동차 촉매변환기 적합성

화석연료의 사용과 그 2차오염으로 인해 매년 수도권의 초미세먼지(PM2.5)는 점점 증가하는 추세에 있다. 본 연구는 초미세먼지의 주된 원인물질이라고 알려져 있는 자동차의 매연에서 발생하는 $NO_x$의 제거에 저렴한 Cu 촉매의 이용 가능성에 초점을 두었다. 이를 위하여 일산화질소(NO) 분자가 Cu에 결합하여 형성할 수 있는 Cu-NO 복합체의 가능한 3가지 구조에서의 에너지와 결합길이, IR 및 라만 스펙트럼의 변화를 알아보기 위하여 Gaussian 09 프로그램에서 MPW1PW91 법을 이용하여 기저함수 6-311(+)G(d,p) 수준에서 계산을 수행하였다. 그 결과, Cu-NO 복합체의 생성 엔탈피는 선형, 굽은형, 다리형 구조에 대하여 각각 ${\Delta}H=104.89$, 91.98, -127.48 kJ/mol의 값을 얻었고, NO 결합길이는 복합체가 되었을 때 약 $0.03{\sim}0.10{\AA}$ 정도 NO 분자보다 길어지는 경향을 보여 Cu-NO 결합으로부터 O가 보다 쉽게 환원될 수 있음을 보여준다. 또한 NO와 Cu-NO 복합체의 IR 및 라만 스펙트럼은 각 진동 모드에 대한 피크의 위치와 세기가 확연히 달라져 Cu 촉매에서 Cu-NO 복합체의 생성 여부도 적외선 또는 라만 분광법으로 손쉽게 확인될 수 있음을 알 수 있었다.