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목적 : 지구온난화 현상을 해결하기 위해서는 다양한 화석에너지 저감 노력과 함께 적극적인 재생에너지 활용과 효율 증대 및 수소에너지 사회화로의 필요성이 대두되고 있다. 효율적인 전기화학적 수소발생반응(hydrogen evolution reaction, HER)은 수소에너지 사회화에서 해결해야 할 중요한 에너지 화학반응 중의 하나인데, 특히 귀금속 백금(Pt)이 가장 효율 높은 촉매로 사용되기 때문에 이를 대체할 저렴한 촉매 개발이 필수 요소이다. 본 연구에서는 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 계산을 통하여 Pt(111) 및 Pt 기반의 나노클러스터와 코어-쉘 나노클러스터(nanocluster)들에 있어서 수소 원자 흡착에너지(Eads)를 계산하여 비교 분석함으로써 HER 효율을 비교 예측하였다.
방법 : Vienna ab initio simulation package (VASP)를 이용한 projector-augmented wave (PAW) 방법으로써 원자 및 전자 구조와 DFT 에너지를 계산하였다.
결과 및 토의 : Pt로만 이루어진 0.5 ~ 2.1 nm 크기의 나노클러스터(Eads = -0.65 ~ -1.25 eV)는 Pt(111) (Eads = -0.61 eV)에 비하여 강한 수소 원자 흡착을 나타내어 HER 효율이 감소될 것으로 평가되었다. 반면, Ru 코어와 Pt 쉘을 가진 코어-쉘 나노클러스터(Rucore-Ptshell, Eads = -0.48 eV)의 경우 약 -0.13 eV 정도 약한 수소 원자 흡착강도를 나타내어 HER 효율이 증가할 것으로 예측되었다. 이는 코어-쉘 나노클러스터의 코어로서 Ru를 사용함으로써 쉘 Pt 표면의 전자구조가 보다 안정된 형태로 변화되어 d-band center가 페르미 레벨(Fermi level)로부터 음수 방향으로 멀어지게 되어 약한 수소 원자 흡착을 야기한 것으로 평가되었다.
결론 : HER 효율을 간략하게 평가하는 지표(descriptor)로서 수소 원자 흡착 강도 정보를 활용하여 Pt(111), Pt55 나노클러스터 그리고 Mcore-Ptshell (M = Ni, Co, Mn, Cu, Ru, Ir 및 Au) 나노클러스터 촉매의 HER 효율을 예측한 결과, Rucore-Ptshell 나노클러스터가 가장 높은 HER 효율을 나타낼 것으로 예측되었다.
방법 : Vienna ab initio simulation package (VASP)를 이용한 projector-augmented wave (PAW) 방법으로써 원자 및 전자 구조와 DFT 에너지를 계산하였다.
결과 및 토의 : Pt로만 이루어진 0.5 ~ 2.1 nm 크기의 나노클러스터(Eads = -0.65 ~ -1.25 eV)는 Pt(111) (Eads = -0.61 eV)에 비하여 강한 수소 원자 흡착을 나타내어 HER 효율이 감소될 것으로 평가되었다. 반면, Ru 코어와 Pt 쉘을 가진 코어-쉘 나노클러스터(Rucore-Ptshell, Eads = -0.48 eV)의 경우 약 -0.13 eV 정도 약한 수소 원자 흡착강도를 나타내어 HER 효율이 증가할 것으로 예측되었다. 이는 코어-쉘 나노클러스터의 코어로서 Ru를 사용함으로써 쉘 Pt 표면의 전자구조가 보다 안정된 형태로 변화되어 d-band center가 페르미 레벨(Fermi level)로부터 음수 방향으로 멀어지게 되어 약한 수소 원자 흡착을 야기한 것으로 평가되었다.
결론 : HER 효율을 간략하게 평가하는 지표(descriptor)로서 수소 원자 흡착 강도 정보를 활용하여 Pt(111), Pt55 나노클러스터 그리고 Mcore-Ptshell (M = Ni, Co, Mn, Cu, Ru, Ir 및 Au) 나노클러스터 촉매의 HER 효율을 예측한 결과, Rucore-Ptshell 나노클러스터가 가장 높은 HER 효율을 나타낼 것으로 예측되었다.
목차
1. 서론
2. 이론적 계산 방법
3. 결과 및 고찰
4. 결론
References
참고문헌 (48)
참고문헌 신청
The International Energy Agency (IEA), World energy outlook 2017(2018).
The International Energy Agency (IEA), Global energy & CO2 status report 2017(2018).
S. Srinivasan, R. Mosdale, P. Stevens, C. Yang, Fuel cells: Reaching the era of clean and efficient power generation in the twenty-first century, Annual Review of Energy and the Environment, 24(1), 281-328(1999).
S. H. Kang, C.-M. Lee, D.-H. Lim, Fundamental mechanisms of platinum catalyst for oxygen reduction reaction in fuel cell: density functional theory approach, J. Korean Soc. Environ. Eng., 38(5), 242-248(2016).
J. Chi, H. Yu, Water electrolysis based on renewable energy for hydrogen production, Chinese Journal of Catalysis, 39(3), 390-394(2018).
The International Energy Agency (IEA), Global energy & CO2 status report 2017(2018).
S. Srinivasan, R. Mosdale, P. Stevens, C. Yang, Fuel cells: Reaching the era of clean and efficient power generation in the twenty-first century, Annual Review of Energy and the Environment, 24(1), 281-328(1999).
S. H. Kang, C.-M. Lee, D.-H. Lim, Fundamental mechanisms of platinum catalyst for oxygen reduction reaction in fuel cell: density functional theory approach, J. Korean Soc. Environ. Eng., 38(5), 242-248(2016).
J. Chi, H. Yu, Water electrolysis based on renewable energy for hydrogen production, Chinese Journal of Catalysis, 39(3), 390-394(2018).
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