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연료전지 산소환원반응 향상 위한 백금 촉매의 구조적 특성: 밀도범함수이론 연구
Fundamental Mechanisms of Platinum Catalyst for Oxygen Reduction Reaction in Fuel Cell: Density Functional Theory Approach 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.38 no.5, 2016년, pp.242 - 248  

강석호 (충북대학교 환경공학과) ,  이창미 (충북대학교 환경공학과) ,  임동희 (충북대학교 환경공학과)

초록
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연료전지에서의 전체 반응 속도는 산화전극에서 일어나는 수소산화반응에 비해 그 반응 속도가 현저히 느린 환원전극에서의 산소환원반응(oxygen reduction reaction, ORR)에 의해 결정된다. ORR 효율성 평가를 용이하게 하는 지표(descriptor)로서 촉매 표면에서의 산소원자 흡착강도를 활용하는데, 산소흡착강도는 촉매 표면의 기하학적 구조 변형에 따른 전자구조를 변형함으로써 조절할 수 있다. 이에 본 연구에서는 백금 표면의 원자모델을 이용하여 표면의 기하학적 구조가 산소흡착강도에 미치는 영향과 그 원인을 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 계산을 통해 분석하였다. 먼저, 기하학적 구조를 인위적으로 변형시킨 Pt(111) 표면에서의 산소흡착반응을 밀도범함수이론 계산을 이용해 분석함으로써 기하학적 구조변화가 산소흡착강도에 미치는 영향(strain effect)을 확인하였다. 최적화한 Pt 격자상수($3.977{\AA}$)에 ${\pm}1%$ 간격의 변화율을 적용하고 각 변화율마다의 산소흡착강도를 계산하였는데, Pt-Pt 원자 간 거리가 멀어질수록 산소흡착강도가 강해지는 것을 확인하였다. 이는 원자 간 거리가 증가할수록 d-band center가 페르미 준위(Fermi level)쪽으로 이동하게 되며, 이로써 일부 반결합 오비탈(anti-bonding orbitals)에 전자가 채워지지 않기 때문에 전체적으로 반결합 오비탈이 형성될 가능성이 적어지기 때문이다. 결과적으로, 순수한 백금이 가진 격자상수($3.9771{\AA}$) 보다 약 2~4% 작은 백금 표면 격자크기를 가질 수 있도록 유도할 수 있다면 산소흡착강도가 적절히 약하게 조절될 수 있으며, 이는 순수한 백금보다 더 향상된 ORR 성능을 가진 촉매물질 개발 연구를 위한 기초자료로서 활용할 수 있을 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The overall reaction rate of fuel cell is governed by oxygen reduction reaction (ORR) in the cathode due to its slowest reaction compared to the oxidation of hydrogen in the anode. The ORR efficiency can be readily evaluated by examining the adsorption strength of atomic oxygen on the surface of cat...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 결론적으로, 본 연구는 백금 촉매의 구조적 특성과 산소흡착강도 간의 관계를 연구함으로서, 구조 변형을 통해 산소환원반응을 촉진시키는 방법의 기본 원리를 고찰하였다. 그리고 이 연구 결과를 새로운 촉매 물질 개발을 비롯한 연료전지 촉매를 연구하는 데에 기초 자료로 제공하고자 하였다.
  • 결론적으로, 본 연구는 백금 촉매의 구조적 특성과 산소흡착강도 간의 관계를 연구함으로서, 구조 변형을 통해 산소환원반응을 촉진시키는 방법의 기본 원리를 고찰하였다. 그리고 이 연구 결과를 새로운 촉매 물질 개발을 비롯한 연료전지 촉매를 연구하는 데에 기초 자료로 제공하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 기존 연구에서 밝혀진 백금 표면의 기하학적 구조가 산소흡착강도에 미치는 영향과 그 원인을 밀도범함수이론을 이용하여 분석하였다. 밀도범함수이론의 계산 결과를 기반으로 흡착에너지와 상태밀도(DOS)를 계산한 결과와 전하밀도차(CDD)를 이용하여 전자의 움직임을 분석한 결과는 다음과 같다.
  • 이에 본 연구에서는 신소재 개발 연구에 있어 금속표면의 전자기적 특성 및 촉매 활성도 분석에 광범위 하게 적용되는 밀도범함수이론(density functional theory, DFT)을 활용하여 백금 촉매에서의 산소흡착반응을 분석함으로써 촉매의 기하학적 구조와 산소흡착강도간의 상관관계를 직접 확인하고, 나아가 그 상관관계의 원인을 알기 위해 기하학적 구조 변화에 따른 전자밀도 분포 및 변화를 분석했다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
화석연료에 의존한 에너지 생산은 크게 두 가지 문제를 내포하는데, 그 문제들은 무엇인가? 1) 화석연료에 의존한 에너지 생산은 크게 두 가지 문제를 내포한다. 첫째는 점차 원유의 수요량 확보가 어려워진다는 것이며, 둘째는 지구온난화를 촉진한다는 것이다. 이 두 가지 문제점은 인류의 지속적인 발전을 위해서는 반드시 해결해야 할 과제이며, 문제 해결을 위해서는 지속적이면서도 공해 발생이 적은 대체 에너지의 개발이 필수적이다.
연료전지 기술은 무엇을 근간으로 하는가? 연료전지 기술은 에너지 생산 효율이 높고, 공해가 거의 없어 친환경 차세대 에너지원으로 주목 받아왔다. 2) 연료전지 기술은 수소 연료가 전기화학반응을 거쳐 물로 전환될 때 에너지가 발생하는 것을 근간으로 한다. 연료전지의 원리는 다음과 같다.
백금 촉매의 장단점은 무엇인가? 반응 과정 중에 에너지 벽이 존재하기 때문에 반응 효율을 높이기 위해서 촉매가 필요하며, 주로 백금 촉매를 사용하고 있다. 백금 촉매는 그간의 많은 연구를 통해 그 촉매효과의 우수성이 입증되었지만, 비싼 가격으로 인해 상용화가 되기엔 아직 어려움이 있다. 때문에 연료전지가 상용화되기 위해서는 백금 촉매만큼 성능이 우수하면서도 가격이 저렴한 촉매의 개발이 필요하다.
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참고문헌 (23)

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  22. Michaelides, A. and Hu, P., "Hydrogenation of S to H2S on Pt(111): A first-principles study," J. Chem. Phys, 115(18), 8570-8574(2001). 

  23. Qi, L., Yu, J. and Li, J., "Coverage dependence and hydroperoxyl-mediated pathway of catalytic water formation on Pt (111) surface," J. Chem. Phys, 125(5), 054701(2006). 

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