[논문]밀도 함수를 이용한 지르코니움, 바나듐, 철과 수소와의 반응성 연구

박태성; 이택홍

doi:10.7316/khnes.2014.25.6.602

밀도 함수를 이용한 지르코니움, 바나듐, 철과 수소와의 반응성 연구
The Hydrogen Binding Property Study by Density Functional Theory for Zr, V, Fe and Al 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.25 no.6, 2014년, pp.602 - 608

Abstract ▼ AI-Helper

The sequence of bond overlap population of metal hydrogen binding is in Al-H > Fe-H > Zr-H > V-H. This results shows the binding energy of Al-H is the biggest in this metals (Al, Fe, Zr, and V) and hydrogen interaction. The Vanadium-hydrogen binding shows the weakest binding energy compared to other metals and it causes easy hydrogen desorption from the corresponding metals. The net charge of Al-H show the biggest value of 0.2248 and the severe localizations of electrons around aluminum and imply strongest covalent binding nature in these metals. This study is applicable to the purification of hydrogen in other bulk gas.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 대표적으로 수소의 저장 능력이 우수한 Al과 수화물을 잘 이루는 금속 중 저장합금에 중 주요 구성 성분인 Fe, Zr, V금속과 수소와의 반응성 및 결합력을 연구하고자 한다. 반응성의 척도로 사용되는 유효공유결합성(Bond Overlab Population_B.
본 연구는 수소저장과 깊게 관련되어 저장합금으로 사용되는 금속들의 수소와의 반응성을 연구하였다. 반응에서 결정된 공유결합성은 다음과 같다.
P)값을 Al-H, Fe-H, Zr-H, V-H의 시스템을 원자- 원자의 간단한 일차원 모델을 기반으로 하여 계산하며 기초 이론은 밀도함수론을 사용하고자 한다(Density Functional Theory). 이 계산된 결과를 통하여 비교 및 분석하여 수소원자와 메탈의 반응성을 보고 수소저장합금의 저장성과 수소탈착, 그리고 대부분의가스 속에 존재하는 수소불순물의 제거에 대한 금속흡착제에 대한 이론적인 배경을 연구하고자 한다.

제안 방법

다음의 이론적인 계산 절차에 따라 얻어진 유효공유결합성의 분석을 통하여 물질간 결합의 생성과 결합강도, 반응성의 정도를 예측할 수 있다.

이론/모형

Bond-oppenheimer approximation을 이용하여 전자의 운동과 핵의 운동을 분리한다. 즉 분자의 파동함수에서 전자의 파동함수와 핵 부분의 파동함수로 분리한다.
본 연구는 대표적으로 수소의 저장 능력이 우수한 Al과 수화물을 잘 이루는 금속 중 저장합금에 중 주요 구성 성분인 Fe, Zr, V금속과 수소와의 반응성 및 결합력을 연구하고자 한다. 반응성의 척도로 사용되는 유효공유결합성(Bond Overlab Population_B.O.P)값을 Al-H, Fe-H, Zr-H, V-H의 시스템을 원자- 원자의 간단한 일차원 모델을 기반으로 하여 계산하며 기초 이론은 밀도함수론을 사용하고자 한다(Density Functional Theory). 이 계산된 결과를 통하여 비교 및 분석하여 수소원자와 메탈의 반응성을 보고 수소저장합금의 저장성과 수소탈착, 그리고 대부분의가스 속에 존재하는 수소불순물의 제거에 대한 금속흡착제에 대한 이론적인 배경을 연구하고자 한다.
분자 궤도법은 Born–Oppenheimer의 근사를 바탕으로 Hatree-Fock-Slater의 근사를 이용한다.
교환 상관 포텐셜은 식(12)로 근사한다. 시스템내의 전하이동과 화학결합을 계산하기 위해서 Mulliken 밀도 분석을 사용한다. 1번째 궤도의 겹치기밀도 Q^I_ij은 식(13)과 같이 정의 되며 식(14)는 1번째 원자의 궤도 함수 밀도를 나타낸다.
이러한 방법의 현상을 이해 하기위하여 이 연구에서는 밀도함수론을 사용한 분자궤도법을 사용하였다. 분자궤도법은 화합물의 전자 구조 및 전자상태를 근사적으로 계산하여 합금 등의 물성평가, 불순물에 의한 이상현상 연구, 합금 및 기타재료의 안정성과 특성예측, 전지등의 전자상태와 화학결합의 이론적인 유추등과 같은 다양한 분야에서 응용되어지고 있다.

성능/효과

1) 기체 압축 저장 방식은 현재 사용되고 있는 가장 일반적인 저장 방법이며 고압 실린더를 사용하는 것이다. 현재 대부분의 나라에서는 300 기압 정도의 압력에 견디는 철제 실린더가 일반적으로 사용되며 보통 200 기압까지의 수소를 채워 사용한다⁶⁾ .
2) 액화 수소 저장 방식은 수소의 임계 온도가 –241℃이므로 아무리 압축해도 매우 낮은 온도로 냉각하지 않으면 액체로 될 수 없을 뿐만 아니라 비점이 -253℃이므로 이 온도 이하로 냉각하여야 액체로 유지될 수 있다.
3) 수소화물 형태의 저장 방식은 금속이 수소와 화학반응에 의해 수소를 머금은 상태의 화합물을 일컫는다. 상온·대기압 부근에서 수소와 반응시켜 금속수소화물의 형태로 수소를 저장하고, 가열과 감압에 의해 쉽게 수소를 방출하는 합금을 수소 저장합금 이라한다.
3) 이는 수소가 상온에서 반응 속도가 매우 빠르고, 폭발위험성이 매우 높은 성질로 인하여 저장효율 및 취급성이 떨어진다.^4-5) 따라서 효율적이고 안전한 수소의 저장 및 수송 기술을 개발하는 것은 수소를 활용하는데 있어 중요한 문제이며 수소 저장이 가눙한 대면적의 물질에 대한 연구가 활발히 진행되어지고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액화 수소 저장 방식의 단점은 무엇인가?	2) 액화 수소 저장 방식은 수소의 임계 온도가 –241℃이므로 아무리 압축해도 매우 낮은 온도로 냉각하지 않으면 액체로 될 수 없을 뿐만 아니라 비점이 -253℃이므로 이 온도 이하로 냉각하여야 액체로 유지될 수 있다. 따라서 냉각에는 수소 에너지의 대략 30%7)에 해당하는 에너지가 소요되며, 액체로 저장하는 것은 에너지 효율이 낮고 저온을 유지하기 위해 특수한 재료와 단열이 필요하고 취급이 어렵다. 또한 상온에서는 계속된 증발로 수소의 손실이 발생하는 단점이 있다.8)
	수소의 저장기술에는 대표적으로 무엇이 있는가?	수소의 저장기술은 대표적으로 액화 수소 저장 방식, 흡착식 저장 방식, 기체 압축 저장 방식, 수소화물 형태의 저장 방식과 화합물을 이용한 저장 방식 등 5가지가 있으며 이 중 많이 사용되는 방법은 기체 압축 저장 방식, 액화 수소 저장 방식과 수소화물 형태의 저장 방식이다.
	수소를 저장하기 위한 여러 방법들은 기존에 사용되어온 화석 연료의 효율에 비하면 아직까지 그 효율성이 떨어지는데 그 이유는 무엇인가?	현재 수소를 저장하기 위한 여러 방법들은 기존에 사용되어온 화석 연료의 효율에 비하면 아직 까지 그 효율성이 떨어진다.3) 이는 수소가 상온에서 반응 속도가 매우 빠르고, 폭발위험성이 매우 높은 성질로 인하여 저장효율 및 취급성이 떨어진다.4-5) 따라서 효율적이고 안전한 수소의 저장 및 수송 기술을 개발하는 것은 수소를 활용하는데 있어 중요한 문제이며 수소 저장이 가눙한 대면적의 물질에 대한 연구가 활발히 진행되어지고 있다.

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