초록 ▼

□ 연구개요
본 과제에서는 전기화학 분야에 원자단위 시뮬레이션을 도입하여 이차원 물질의물 분해 반응에 대한 전기화학적 촉매 특성을 분석하고 물 분해를 촉진시킬 수 있는 요소를 규명하였다. 우선, 다양한 촉매 표면에서 일어나는 수소 및 산소발생반응의 메커니즘을 규명하였고, 다양한 계산법을 활용하여 촉매와의 결합 특성, 광전기화학적 특성을 분석하였다. 마지막으로, 도핑 및 표면 작용기가 전기화학적 메커니즘에미치는 영향을 규명함으로써 고효율 수소 생산용 물 분해 촉매 디자인에 기여하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과

□ 연구개요
본 과제에서는 전기화학 분야에 원자단위 시뮬레이션을 도입하여 이차원 물질의물 분해 반응에 대한 전기화학적 촉매 특성을 분석하고 물 분해를 촉진시킬 수 있는 요소를 규명하였다. 우선, 다양한 촉매 표면에서 일어나는 수소 및 산소발생반응의 메커니즘을 규명하였고, 다양한 계산법을 활용하여 촉매와의 결합 특성, 광전기화학적 특성을 분석하였다. 마지막으로, 도핑 및 표면 작용기가 전기화학적 메커니즘에미치는 영향을 규명함으로써 고효율 수소 생산용 물 분해 촉매 디자인에 기여하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 과제에서는 제일원리 계산을 기반으로 한 원자단위 시뮬레이션을 이용하여 다양한 이차원 물질의 표면에서 물 분해 반응에 대한 전기화학적 촉매 특성을 분석하고, 이를 활용하여 물 분해를 촉진시킬 수 있는 요소를 제어하고 규명함으로써 최적화된 촉매 디자인을 제시하는 것을 종합적인 목표로 설정하였다.
효과적인 물 분해 반응에 대한 연구를 위해, 본 과제에서는 뛰어난 전기화학적 특성과 높은 화학적 안정성을 가지고 있어 촉매로서의 가능성을 주목받고 있는 전이금속 기반 이차원 물질을 기반으로 연구를 수행하였다. 촉매 표면에서 일어나는 반응을 이해하여 촉매의 특성을 향상시키기 위해 물 분해 반응의 각 반쪽 반응인 수소 및 산소발생반응에 대해 연구하였고, 그 결과 복잡한 중간생성물이 발생하는 물 분해 반응에서 최적의 반응 경로를 규명할 수 있었다. 또한, 촉매 표면에서 발생할 수 있는 외부 요인이 반응 메커니즘에 미치는 영향을 이해하기 위해, 촉매에 도핑이나 작용기 등이 있는 상황을 고려함으로써 촉매의 특성을 변화시켜 물 분해 반응의 성능 향상을 이끌어낼 수 있었다. 나아가 실제 실험을 수행하여 도출한 전기화학적 물분해 촉매의 특성을 이론적으로 검증하였으며, 우수한 특성을 가진 물 분해 촉매 디자인에 성공하여 신재생에너지원인 수소 생산 분야에 기여할 수 있었다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의중요성)
본 과제를 통해 이차원 물질 표면에서 발생하는 수소 및 산소발생반응을 이해함으로써 물 분해 반응에 대한 산화/환원 반응 메커니즘을 규명하였고, 이를 통해 습득한 이론적 기반을 바탕으로 고효율 물 분해 촉매에 대한 원천기술을 확보하여 미래 수소경제 사회의 실현에 기여할 수 있을 것이다. 나아가, 연구 과정 중에 계산된 촉매 특성들을 데이터베이스화시켜 재료의 전기화학적 물성과의 상관관계를 밝혀내고 머신러닝 알고리즘을 도입한다면, 촉매 특성을 예측하는 머신러닝 모델을 구축할 수 있을 것이다. 이와 같은 새로운 연구 방법을 도입함으로써 기존처럼 원자단위 시뮬레이션만을 활용하는 것에 비해 더 효율적으로 촉매의 전기화학적 특성을 예측하는 연구를 수행할 수 있을 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)