[논문 리뷰] Molecular dynamics analysis of adsorption process of anti-copper-corrosion additives to the copper surface

Kohei Nishikawa, Hirotoshi Akiyama외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 27.

Corrosion Behavior and Inhibition인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 ReaxFF 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여 구리 표면에서 벤조트리아졸(BTA)의 흡착을 조사하며, 금속성 Cu(0) 표면보다는 Cu2O(II) 표면에서 선택적 화학흡착가능성을 밝혀냈다. 주요 발견은 Cu 표면에서의 흡착 농도가 Cu2O 표면보다 5배 높으며, 표면 확산과 전하 이동에 의해 유도된 분극으로 인해 발생함을 규명하였다. 이는 새로 노출된 금속 표면을 보호하기 위해 항부식 첨가제가 효과적인 이유를 설명한다.

ABSTRACT

As a model system of the adsorption process of anti-corrosion additives on a metal surface, molecular dynamics simulations of benzotriazole (BTA) molecules with copper slabs were completed. As a force field, ReaxFF was used to simulate both adsorption dynamics and the charge transfer on the solid surface. Two simulations are presented. In order to investigate the physical adsorption on the surface, the simulation was done for the adsorption process of BTA molecules on the copper (II) oxide slab. BTA molecules formed on adsorbed layer in parallel to the surface, and aggregation of the molecules due to the surface diffusion was found. In order to investigate the selective and chemical adsorption on the surface, a hybrid slab, which has both a copper (Cu) area and a copper (I) oxide (Cu2O) area, was used. A selective adsorption phenomenon was found. The number of BTA molecules adsorbed on the Cu area is 5 times greater than that on the Cu2O area. Detailed dynamics focused on charge transfer showed a surface diffusion and enhancement of polarization due to charge transfer from the metal surface caused the selective adsorption. In a real phenomenon, the reason why a few anti-corrosion additives are able to protect a metal surface is postulated to be due to this selective nature of adsorption onto a newly formed metal surface.

연구 동기 및 목표

• 금속 표면에서 항구리부식 첨가제의 분자 수준에서의 흡착 메커니즘을 이해하기 위해.
• 벤조트리아졸(BTA)이 구리 기반 표면에서 물리적 흡착과 화학적 흡착 간의 차이를 조사하기 위해.
• 금속성 구리(Cu) 표면과 구리 산화물(Cu2O) 표면 간의 선택적 흡착 원인을 밝혀내기 위해.
• 반응성 힘장(reactive force fields)을 사용하여 BTA 흡착 중 전하 이동과 표면 확산 역학을 분석하기 위해.
• 실제 시스템에서 부식으로부터 구리를 보호하는 데 효과적인 첨가제가 소수에 국한되는 이유를 설명하기 위해.

제안 방법

• BTA의 흡착을 모델링하기 위해 표면 화학이 다양하게 조절된 구리 슬립에서 ReaxFF 반응성 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하였다.
• 두 시스템에서 시뮬레이션을 수행하였다: 물리적 흡착을 위한 Cu(II) 산화물 슬립과 선택적 화학흡착를 위한 하이브리드 Cu/Cu2O 슬립.
• 표면 확산과 전하 이동 역학을 분석하여 분자 배열과 전자 상호작용을 이해하였다.
• 시간에 따른 BTA 분자의 흡착 농도와 배향을 정량화하여 표면 피복도와 선택성을 평가하였다.
• 흡착 과정 중 결합의 단절/형성과 전하 재분포를 캡처하기 위해 힘장의 타당성을 검증하였다.
• 전하 이동과 분극의 시간 해상도 분석을 통해 선택적 흡착 거동을 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 벤조트리아졸(BTA)은 구리(II) 산화물 표면에서 어떤 방향과 층 형성 방식으로 흡착되는가?
• RQ2 왜 BTA는 금속성 구리(Cu) 표면에서 구리(I) 산화물(Cu2O) 표면보다 선택적으로 흡착되는가?
• RQ3 표면 확산과 전하 이동은 BTA 층의 배열과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 전자적 분극은 특정 구리 표면 사이트에서의 흡착을 강화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 실제로 왜 일부 항부식 첨가제만이 구리 표면을 효과적으로 보호하는가?

주요 결과

• BTA 분자는 표면 확산과 집합을 통해 Cu(II) 산화물 표면에서 조밀하고 평행하게 흡착된 층을 형성하였다.
• 하이브리드 Cu/Cu2O 슬립에서 금속성 Cu(0) 표면의 흡착 농도는 Cu2O(II) 표면보다 5배 높았다.
• 금속 표면에서의 전하 이동이 유도한 분극으로 인해 상호작용 에너지가 증가하고, Cu(0) 표면에서의 흡착이 안정화되었다.
• BTA 분자의 표면 확산은 산화물 표면에서의 횡방향 배열과 층 형성에 기여하였다.
• Cu(0) 표면에서의 선택적 흡착은 Cu2O 표면보다 더 강한 전자 결합과 전하 이동으로 인한 것으로 기인되었다.
• 결과적으로, 새로 노출된 금속 표면에서의 선호적 화학흡착 덕분에 낮은 농도에서도 항부식 첨가제가 실제 세계에서 효과를 발휘하는 이유를 설명할 수 있었다.