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개미산 분해 반응에서 수소 생산성 증대를 위한 Pd/Pd3Fe 합금 촉매: 범밀도 함수 이론 연구
Pd/Pd3Fe Alloy Catalyst for Enhancing Hydrogen Production Rate from Formic Acid Decomposition: Density Functional Theory Study 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.55 no.2, 2017년, pp.270 - 274  

조진원 (한국과학기술연구원 연료전지연구센터) ,  한종희 (한국과학기술연구원 연료전지연구센터) ,  윤성필 (한국과학기술연구원 연료전지연구센터) ,  남석우 (한국과학기술연구원 연료전지연구센터) ,  함형철 (한국과학기술연구원 연료전지연구센터)

초록
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본 연구에서는 양자 역학 계산 이론 중 하나인 Density Functional Theory (DFT)를 사용하여 $Pd/Pd_3Fe$ 촉매 표면에서 개미산(HCOOH) 분해 반응으로부터 수소를 생산하는 반응 메커니즘을 분석하였다. 기존 연구에 따르면, 단일 원자 촉매 중에서 개미산 분해 반응에 가장 높은 수소 생산성을 기록하는 원자는 Pd 촉매이지만, 부 반응으로 생산되는 CO가 Pd에 독성을 띄우기 때문에 Pd 촉매의 성능을 저하시킨다. 이러한 단점을 극복하고자, Pd를 기반으로 Pd와 Fe를 3:1로 합금하여 $Pd_3Fe$가 코어(core) 형태로 존재하고 Pd가 표면에 위치한 core-shell $Pd/Pd_3Fe$ 촉매를 설계하여 개미산 분해 반응에 의한 수소 생산 속도를 계산하였다. 순수 Pd촉매 보다 $Pd/Pd_3Fe$ 촉매의 수소 생산 반응의 활성 에너지가 감소하였다. 그 이유는 Pd와 Fe가 합금화 되면서 $Pd_3Fe$의 격자 상수가 $2.76{\AA}$로 줄어 들어 HCOO의 흡착에너지를 0.03 eV 감소시켰고, Fe에서 표면 Pd로 전자가 이동하면서 표면 전자 구조가 변화하여 HCOO의 흡착에너지를 0.29 eV 낮추었기 때문이다. 본 연구에서 제안하는 결과를 바탕으로 추후 개미산으로부터 수소 생산이 더 용이한 새로운 촉매 설계 메커니즘을 제안하고자 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Formic acid has been known as one of key sources of hydrogen. Among various monometallic catalysts, hydrogen can be efficiently produced on Pd catalyst. However, the catalytic activity of Pd is gradually reduced by the blocking of active sites by CO, which is formed from the unwanted indirect oxidat...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 Pd촉매는 HCOOH의 부반응으로 생산되는 CO에 의해 수명이 짧아지기 때문에 성능대비 경제성이 효율적이지 않아 이를 개선할 필요가 있다[2,5]. 따라서 본 연구에서는 Density Functional Theory (DFT) 계산을 통하여 이러한 문제를 개선하고자 수소 생산 속도를 증가시키는 목적으로 Pd/Pd3Fe를 설계하였다. 개미산 분해 반응 에너지와 활성화에너지를 계산하였으며 합금효과인 strain (격자 상수 불일치에 의한 촉매 활성 변화)과 ligand (금속-금속 상호 작용에 의한 전자 구조의 변화) 효과가 수소 생산 속도 증가에 어떠한 영향을 미치는지 조사하였고 그 결과를 표면의 d 오비탈 전자구조를 통하여 확인하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
HCOOH가 메탄올을 대체할 수 있는 이유는? 화석연료로 인한 지구 온난화 문제가 생태계 및 인류에 큰 위협을 가하게 되면서 전세계적으로 화석연료기반의 탄소를 대체할 수 있는 대안으로 수소에너지와 이를 사용하여 전기를 생산하는 연료전지의 중요성이 강조 되고 있다[1-4]. 최근 HCOOH (개미산)이 메탄올을 대체할 수소의 원천으로 주목 받고 있는데 그 이유는 낮은 독성을 띄우는동시에 상온에서 우수한 부피대비 수소저장밀도를 가지고 있고 액상상태에서도 직접 PEMFC의 연료로 사용할 경우 수소 저장이 용이하여 운반이 편리한 장점이 있기 때문이다[5,17,18]. 연료전지시스템에서 HCOOH는연료극촉매에 의해 수소이온과 전자로 분해되는 데 이때많이 사용하는 촉매는 Pd이다[5].
Pd와 귀금속 촉매에서 HCOOH는 어떤 반응경로들을 통해 분해되는가? Pd와 귀금속 촉매에서 HCOOH는 두 가지의 반응경로를 통해 분해되는데, 하나는 HCOO+H를 거쳐 최종적으로 CO2와 H로 진행하여 수소를 얻는 주 반응식이 있는 반면, 다른 반응은 HCO+OH를 거쳐 Pd 촉매에 독성을 띄우는 CO 와 물로 진행하는 부 반응식이 있다[1,5,10,20]. Pd 촉매에 있어 가장 이상적인 조건은 수소를 얻는 반응식에 대한 활성화 에너지가 낮고 동시에 CO로 진행하는 반응의 활성화 에너지는 높아야 한다[2].
기존 Pd촉매의 문제점은? Pd 촉매에 있어 가장 이상적인 조건은 수소를 얻는 반응식에 대한 활성화 에너지가 낮고 동시에 CO로 진행하는 반응의 활성화 에너지는 높아야 한다[2]. 기존 Pd 촉매의 문제점은 수소 생산도에 비해 CO 생산도가 높아 촉매의 수명이 짧아지기 때문에 이번 연구에서는 HCOOH로부터 수소를 얻는 주 반응식의 생산도를 증가시키는데 집중하였다[2,3]. 이러한 문제점을 개선하기 위해서, Fig.
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참고문헌 (21)

  1. Kulesza, P. J., Pieta, I. S., Rutkowska, I. A., Wadas, I. A., Marks, D., Klak, K., Stobinski, L. and Cox, J. A., "Electrocatalytic Oxidation of Small Organic Molecules in Acid Medium: Enhancement of Activity of Noble Metal Nanoparticles and Their Alloys by Supporting or Modifying Them with Metal Oxides," Electrochem. Acta., 110, 474-483(2013). 

  2. Tedsree, K., Li, T., Jones, S., Chan, C. W., Yu, K. M., Bagot, P. A., Marquis, E. A., Smith, G. D. and Tsang, S. C., "Hydrogen Production from Formic Acid Decomposition at Room Temperature Using a Ag-Pd Core-shell Nanocatalyst," Nat. Nanotechnol., 6, 302-730(2011). 

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  6. Kresse, G., Vasp the Guide. 2001. 

  7. Blochl, P. E., "Projector Augmented-wave Method," Phys. Rev. B., 50, 17953-17979(1994). 

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  14. Mavrikakis, M. H., Hammer, B. and Norskov, J. K., "Effect of Strain on the Reactivity of Metal Surfaces," Phys. Rev. Lett., 81, 2819(1998). 

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  16. Henkelman, G., Arnaldsson, A. and Jonsson, H., "A Fast and Robust Algorithm for Bader Decomposition of Charge Density," Comput. Mater. Sci., 36(3), 354-360(2006). 

  17. Kim, K. H., Yu, J. K., Lee, H. S., Choi, J. H., Noh, S. Y., Yoon, S. K., Lee, C.-S., Hwang, T.-S. and Rhee, Y. W., "Preparation of Pt-Pd Catalysts for Direct Formic Acid Fuel Cell and Their Characteristics," Korean J. Chem. Eng., 24(3), 518-521(2007). 

  18. Yu, J. K., Lee, H. S., Kim, K. H., Kim, Y. C., Han, J. H., Oh, I. H. and Rhee, Y. W., "Characterization of Alternative Anode Catalysts for Direct Formic Acid Fuel Cell," Korean Chem. Eng. Res., 44, 314-318(2006). 

  19. Lee, S. H., Cho, J., Jang, J. H., Han, J., Yoon, S. P., Nam, S. W., Lim, T. H. and Ham, H. C., "Impact of d-Band Occupancy and Lattice Contraction on Selective Hydrogen Production from Formic Acid in the Bimetallic $Pd_3M$ (M Early Transition 3d Metals) Catalysts," ACS Catal., 6(1), 134-142(2016). 

  20. Cho, J., Lee, S., Han, J., Yoon, S. P., Nam, S. W., Choi, S. H., Hong, S.-A., Lee, K.-Y. and Ham, H. C., "Enhanced Selectivity to $H_2$ Formation in Decomposition of HCOOH on the $Ag_{19}@Pd_{60}$ Core-shell Nanocluster From First-principles," J. Nanosci. and Nanotechnol., 15(10), 8233-8237(2015). 

  21. Lee, J. H., Cho, J., Jeon, M., Ridwan, M., Park, H. S., Choi, S. H., Nam, S. W., Han, J., Lim, T.-H., Ham, H. C. and Yoon, C. W., "Experimental and Computational Studies of Formic Acid Dehydrogenation over PdAu: Influence of Ensemble and Ligand Effects on Catalysis," J. Mater. Chem. A., 4, 14141(2016). 

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