| 초록 |
□ 연구개요 - 본 과제에서는 전기화학 촉매 시스템의 핵심 요소인 고체-액체 계면에서의 복합적인 화학 현상을 이해하고 이를 기반으로 고성능 촉매 시스템을 설계할 수 있는 첨단 하이브리드 멀티스케일 시뮬레이션 방법론을 개발하고 응용하고자 함. - 제일원리 양자역학 및 분자동역학 시뮬레이션을 새로운 방법으로 접목시켜 고체 표면의 전자구조와 인접 용매 분자들의 동역학적 특성을 동시에 모사하여 고체-액체 계면의 특성을 원자/분자 수준에서 명확히 규명하고자 함. - 새로운 멀티스케일 시뮬레이션 방법론을 전기화학 촉매 시스템에 적용하고, 실험 그룹과의 공동연구를 통한 상호 검증을 통해 기후변화 대응을 위한 신재생 에너지 촉매 시스템 설계에 활용하고자 함. □ 연구 목표대비 연구결과 - 불균일계 촉매 시스템의 고체-액체 계면 특성을 모사하기 위해서는 새로운 멀티스케일 방법론의 개발이 필수적이며, 삼차원 그리드를 기반으로 양자역학과 분자동역학 시뮬레이션 방법론의 정전기적 상호작용을 교환하는 방식으로 효율적인 하이브리드 QMMM 멀티스케일 방법론을 고안하였으며, 오픈소스 양자역학 및 분자동역학 코드를 기반으로 독자적인 멀티스케일 코드를 개발함. - 상기 멀티스케일 시뮬레이션 방법론을 통해 고체-액체 계면에서 고체 표면의 전자구조와 이와 상호작용하는 전해액 분자들의 원천적인 상호작용을 전자구조 수준에서 도출할 수 있으며, 하나의 전해액 분자와 고체 표면의 정확한 상호작용을 high-level 양자계산을 통해 거리에 따라 구하고, 여기서 DFT-CES 방법론 내에서 구한 고체 표면 전자구조의 reorganization, 고체 표면 전자구조와 전해액 분자의 정전기적 상호작용 값을 빼냄으로써 고체 표면을 구성하는 원자와 전해액 분자를 구성하는 원자들 사이의 vdW 파라미터를 체계적으로 도출하였음. - 전기화학 촉매 소재로써 일반적으로 활용되는 귀금속(Ag, Au, Pd, Pt) 및 금속산화물 표면에 대해서도 상기 방법론을 적용하여 금속 및 산소 원자와 물 분자의 원천적인 vdW 상호작용 파라미터를 도출하였고, 이를 확장하여 금속 표면과 물 분자들이 이루는 계면의 상호작용 에너지와 구조적 특징 등을 분석하였음. - 금속산화물 기반 산소발생 촉매 표면에서 반응 매질인 물 분자들이 어떤 계면 구조를 형성하고, 그 구조에 따라 촉매 반응성에 어떤 영향을 미치는지 규명하여 새로운 산소발생 전기화학 촉매 시스템 설계를 위한 기초 자료를 확보함. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) - 본 연구를 통해 새롭게 개발하고자 하는 삼차원 공간 격자 기반 양자역학/분자동역학 하이브리드 멀티스케일 시뮬레이션 방법론은 아직까지 미지의 영역인 불균일계 전기화학 촉매 반응시스템의 계면 특성을 원천적으로 규명하는데 매우 강력한 도구가 될 것으로 기대됨. - 기존의 원자/분자 수준 전산 모델링 기법들의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 방법론적/이론적 기틀을 마련할 뿐만 아니라, 지금까지 실험적/이론적으로 규명하기 어려웠던 복잡 고체-액체 계면 (전기)화학 현상에 대한 심도 깊은 이해와 정량적인 분석을 통해 전기이중층 현상의 진일보된 이론을 확립할 수 있음. - 금속산화물 기반 산소발생 촉매 시스템에서 계면 특성과 촉매 반응성의 상관관계를 규명하고 고성능 촉매 시스템 설계를 위한 계면 특성 기반 신규 설계 요소를 도출하여, 이를 토대로 다양한 에너지 및 환경 어플리케이션의 핵심 촉매 시스템 개발에 돌파구를 마련할 수 있을 것으로 기대됨. (출처 : 연구결과 요약문 2p) |
