| 초록 |
□ 연구개요 본 연구에서는 수소를 얻기 위한 물분해 과정(에너지)과 일산화탄소의 산화반응(환경)이 효과적으로 일어나게 할 수 있는 새로운 저차원물질의 촉매를 제일원리계산을 통해 디자인하고 확인하고자 한다. 이를 위해 이차원 물질과 반응 물질 사이의 물리적/화학적 흡착(물분자와 일산화탄소분자의 촉매 표면 흡착)이 잘 일어날 수 있는 이차원 물질을 제일원리계산을 통해 제안한다. 반응 경로에 따른 활성화 에너지 계산을 통해 선택된 저차원 물질에 대해서 물분해와 일산화탄소 산화 반응에 대한 반응 메커니즘을 조사하여, 반응 경로에 따른 활성화 에너지를 계산한다. 흡착과 활성화 에너지 비교를 통해 새로운 저차원 촉매물질을 제안한다. 이 연구는 이론연구로서 물질을 구성하는 전자들의 상호작용을 고려한 시스템의 총 에너지를 양자역학적 근사를 통해 계산하는 제일원리계산법을 이용하여 물분자 분해 및 일산화탄소 산화과정에 최적인 저차원의 촉매를 디자인한다. 제일원리계산법으로 밀도범함수론을 이용하며, 물질의 안정성을 확인하기 위하여 cohesive energy와 phonon stability를 계산한다. 대상 물질로 층상구조를 갖는 MX 또는 MX<sub>2</sub> (M=금속, X=16,17족원소)구조를 선택하고, 이들 간의 가능한 interface 조합에 따른 전자구조 변화와 흡착 및 활성화 에너지를 파악한다. □ 연구 목표대비 연구결과 연구목표: 저차원 전자구조의 특성을 이용한 물성 제어 연구 가) 제일원리계산 방법을 이용하여 다양한 저차원 물질들, 특히 층상구조 물질들 사이 경계 영역의 전자구조 특성에 대해 이해한다. 나) 저차원 물질 특성에 의한 반응 메커니즘의 변화를 분석하고, 반응 경로 및 반응활성화 에너지를 파악한다. 다) 최종적으로 특정 반응들(물분해 반응과 일산화탄소 산화반응)을 위한 효율 높은 저차원 물질을 제안한다. 연구결과: 3년간의 과제를 통해 저차원 층상구조 물질에 대한 연구를 수행하였다. Janus 구조, vacancy, doping에 따른 물성의 변화를 MX, MX<sub>2</sub>, MXY 물질들에 대하여 살펴보았고, 이들 물질들이 적층 구조를 가질 때 흡착에 미치는 영향을 밀도범함수론 계산을 통해 얻었다. 물분해와 일산화탄소의 산화 등의 반응에서의 특성은 표면의 성질에 의존하기 때문에 동일 물질의 성질을 조절하는 것이 가능함을 알았고, 특정 물질들에 대해 보다 깊은 연구를 수행하였다. □ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성) 촉매는 산업에서 매우 중요한 분야로 본 연구결과는 산업에 매우 밀접하게 연계될수 있는 중요성이 있다. 본 연구를 통해 대표적인 에너지와 환경 관련 화학반응에 효과적인 저차원 촉매를 제안할 것이며, 양자물리 기반의 계산을 통해 효과적으로 최적의 촉매 물질을 개발하고자 한다. 수소와 산소를 얻을 수 있는 물분해 반응과 일산화탄소의 산화반응의 활성화 에너지를 낮추는 최적화된 저차원 촉매는 넓은 표면적으로 촉매의 양을 줄일 수 있고 비용을 낮출 수 있다. (출처 : 연구결과 요약문 2p) |
