초록 ▼

□ 연구개요
전기화학적 염소 생산 공정에 사용하는 dimensional stable anode 촉매를 개발하고자 하였다. 이를 위해 클러스터 전개법과 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 에너지 계산법을 접목시킨 기계학습 기법을 개발하였으며, 개발된 기법을 이용하여 안정적 합금 구조를 도출하고 염소 생성 효율을 예측할 수 있는 이론적 방법을 개발하였다. 이와 더불어 DFT 계산을 활용한 염소발생반응 메커니즘의 활성화 에너지를 계산할 수 있는 기법을 개발하였다. 즉, DFT 계산에서 진공상의 고

□ 연구개요
전기화학적 염소 생산 공정에 사용하는 dimensional stable anode 촉매를 개발하고자 하였다. 이를 위해 클러스터 전개법과 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 에너지 계산법을 접목시킨 기계학습 기법을 개발하였으며, 개발된 기법을 이용하여 안정적 합금 구조를 도출하고 염소 생성 효율을 예측할 수 있는 이론적 방법을 개발하였다. 이와 더불어 DFT 계산을 활용한 염소발생반응 메커니즘의 활성화 에너지를 계산할 수 있는 기법을 개발하였다. 즉, DFT 계산에서 진공상의 고정되지 않은 Cl^-과 Cl₂ 가스의 활성화에너지 계산을 위해 진공 상에 반응영향이 작은 null atoms 개념을 도입하고 최종적으로 null atom의 영향을 제거하는 기법으로써 DFT 계산에서 구현하기 어려웠던 가스물질 탈착에 따른 활성화 에너지 계산을 가능하도록 하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
기계학습과 염소발생반응 메커니즘 활성화 에너지 분석 기법 개발 목표는 자체평가 100%의 달성도를 이룬 것으로 평가하였다. 특히 기계학습 소요시간 단축 프로그램 방법 개발을 실현시킴으로써 소요시간을 90% 이상 단축시킬 것으로 평가되는 높은 성과를 달성하였다. 또한 기계 학습 프로그램을 기존의 방법에 비해 상대적으로 용이하게 접근할 수 있는 사용자 접근성을 향상시킬 것으로 평가된다.
기계학습 기법은 촉매 등 신물질의 개발 초기 단계에서 목적 물질의 안정된 구조를 도출하기 위하여 개발되었으며 본 연구 외 타 물질 개발 초기 단계에서도 중요하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
전기화학적 염소가스 생산 효율 평가를 위한 안정적 합금 촉매구조 도출 목표에서는 기계학습 모델링 기법 개발 초기 높은 계산 소요시간으로 인해 다양한 합금 촉매구조를 효율적으로 도출하기 어려웠지만, 연구 개발 후반기에서 개발한 프로그램 소요시간 단축 기법을 통하여 해결된 것으로 평가된다.
이론적 염소발생효율 평가로써 도출된 결과들을 전기화학적 실험으로써 검증하는 목표에서 상업적으로 활용되는 촉매에 대해서는 실험적 검증방법을 수행하였으나, 이론적으로 도출된 합금 구조에 대한 실험적 평가는 새로운 합금 촉매를 합성하는 문제(이는 본 연구의 본질적 목표에 해당되지 않음)를 해결하지 못하여 염소발생 효율 평가를 수행하지 못하였다.

□ 연구개발결과의 중요성
나노기술의 발달로 다양한 신물질, 신소재, 나노물질 등이 빠른 속도로 개발되고 있는 현대에서 개발 초기에 목적물질을 명확히 함과 동시에 새로운 촉매 구조를 도출하고 안정성 및 효율을 평가하는 것은 매우 중요하며, 이에 본 연구에서 개발된 원자단위 계산과학을 이용한 새로운 촉매 구조 도출 및 효율 평가 기법은 에너지 생산 및 환경오염물 정화를 위한 새로운 물질 개발 연구에 중요하게 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 1.1 연구 개발 필요성 ... 5
• 1.1.1 염소 생산 촉매 개발의 필요성 ... 5
• 1.1.2 기계학습 모델링 개발의 필요성 ... 6
• 1.2 연구 범위 ... 8
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 11
• 2.1 기계 학습 기법 개발 ... 11
• 2.1.1 개요 및 문제점 ... 11
• 2.1.2 기계 학습 방법 개발 결과 ... 16
• 2.1.3 기계 학습 기법 개발 연구 결론 ... 22
• 2.2 Cluster expansion 기법을 통한 안정적 Ru1-xMxO2 rutile 구조 도출 결과 ... 23
• 2.2.1 Ru1-xMxO2 시스템에서 합금 요소 원자 M의 선정 ... 23
• 2.2.2 Ru1-xMxO2 시스템에 대한 클러스터 전개 결과 ... 24
• 2.2.3 Cluster expaion을 통한 안정적인 Ru1xMxO2rutile 구조 도출 연구 결론 ... 37
• 2.3 반응 메커니즘 활성화 에너지 분석 연구 ... 38
• 2.3.1 RuO2 벌크(bulk) 및 표면(surface) 구조 최적화 ... 38
• 2.3.2 산소와 염소원자의 흡착특성 ... 39
• 2.3.3 염소 발생 반응 메커니즘 분석 ... 41
• 2.3.4 RuO2 표면 원자 치환 따른 반응 에너지 벽 변화 ... 43
• 2.3.5 RuO2 표면에서 염소가스 탈착 활성화 에너지 계산 ... 44
• 2.3.6 반응 메커니즘 활성화 에너지 분석 연구에 대한 결론 ... 46
• 2.4 실험적 연구 ... 47
• 2.4.1 실험적 연구 결론 ... 47
• 2.4.2 실험 연구 과정 ... 47
• 3. 연구개발 결과의 중요성 ... 97
• 4. 참고문헌 ... 98
• 5. 연구성과 ... 101
• 5.1 학술적 연구 성과 ... 101
• 5.2 프로그램 개발 성과 ... 102
• 5.3 인력양성 성과 ... 102
• 끝페이지 ... 102