초록 ▼

□ 연구개요
본 연구팀은 정부의 차세대 탄소 저감 전략에 발맞춰, 이산화탄소 환원 반응의 고효율성 및 높은 선택적 변화율이 높은 (소량의 산소 원자가 도포 된) 구리 (또는 은, 금 등을 포함) 기반 이종 금속 촉매를 개발하고자 함. 본 연구팀은 제일원리 밀도 범 함수 이론 (First-principles density-functional theory, DFT)와 기계 학습 (및 최적화 이론)을 접목하여 이산화탄소 환원 기술에 활용될 수 있는 금속 촉매 시스템을 개발하고자 함. 미량의 산소가 도포 된 금속 촉매 위의 이산화탄소

□ 연구개요
본 연구팀은 정부의 차세대 탄소 저감 전략에 발맞춰, 이산화탄소 환원 반응의 고효율성 및 높은 선택적 변화율이 높은 (소량의 산소 원자가 도포 된) 구리 (또는 은, 금 등을 포함) 기반 이종 금속 촉매를 개발하고자 함. 본 연구팀은 제일원리 밀도 범 함수 이론 (First-principles density-functional theory, DFT)와 기계 학습 (및 최적화 이론)을 접목하여 이산화탄소 환원 기술에 활용될 수 있는 금속 촉매 시스템을 개발하고자 함. 미량의 산소가 도포 된 금속 촉매 위의 이산화탄소의 흡착 및 해리 과정에 대한 이해를 바탕으로 최적의 촉매를 디자인하고자 함. 이와 더불어 anode에서 일어나는 산소발생 반응의 효율을 높여 전체적인 촉매의 효율을 높이고자 함. 전산모사 연구를 수행함으로써, 실험의 경제성을 획기적으로 줄이며, 보다 높은 활성을 갖는 촉매를 디자인 및 개발하고자 함.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 과제를 통하여 연구팀은 Applied Surface Science, Chemical Engineering Journal, Nature Communications 등 우수한 저널들에 총 6 개의 SCIE논문을 출판하였음. 본 연구팀은 구리 기반 이산화탄소 환원반응 촉매를 설계하고 열역학적 안정성 및 반응성에 대해 밝혔음. 이론-실험 협력연구를 통하여 미량의 산소 원자가 도포된 구리 촉매구조를 밝히고, 다양한 구리-산소 준 안정상 구조들의 열역학적 안정성을 비교하였음. 또한 기존 STM이론 중 하나인 Bardeen 방식보다 보다 정교한 reviesed Chen 방식으로 STM tip 방향과 구조가 STM 이미지에 영향을 끼침을 보임. 본 연구팀은 또한 vibrational energy를 고려한 chemical potential에 따른 기판과 구리 (및 산화물) 계면의 안정성을 판단하였음. 이를 통하여 금의 영향이 강할 경우 p2s 구조가, 금의 영향이 적을 경우 p2 구조가 생성됨을 확인하였고, workfunction 및 d-band center 등의 전자구조 계산을 통하여 촉매 반응에 대한 통찰을 더하였음. 본 연구팀은 Cu₃M (M = Ag, Zn, Pt, Fe, Au, Ni)의 구조에서의 이산화탄소 환원 반응성에 대한 연구를 진행함. CO와 CHO 흡착에너지 차이를 통해 electronegativity가 작은 Zn가 있을 때 반응성이 증가 할 수 있음을 밝힘. 본 연구팀은 머신러닝을 활용하여 머신러닝 포텐셜을 만들었으며, 이를 활용하여 준 안정상 구조를 찾는 알고리즘을 통해 기존 구조보다 열역학적으로 안정한 구조를 찾는 데에 성공하였음. 또한 NEB계산을 통하여 반응 경로 변화에 대한 이해를 더하였으며 추후 kinetic Monte Carlo 반응 계산을 추가하여 논문 게재 예정임. 이에 더하여 본 연구팀은 전체적인 촉매의 반응성 향상을 위해 Anode의 산소발생 반응에 대한 연구를 진행함. 이리듐 산화물의 촉매 반응을 극대화하고 열역학적 안정성을 향상시키는 촉매 디자인 방법론을 구조-전자구조-반응성 분석을 통하여 이론적으로 제시함.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구에서 수행한 머신러닝 및 최적화 이론을 통한 기능성 금속 표면구조 예측은 다양한 금속 및 반도체 물질의 표면 원자구조를 예측, 차세대 나노 소자의 신뢰성을 향상시키는데 활용될 수 있음.
또한 본 연구는 재료, 물리, 화학 등의 기초과학과 현 4차 산업에 있어 핵심기술인 인공지능과의 융합 기술을 선전적으로 확보함으로서 기술 패러다임을 이끌 것으로 기대됨. 또한 기존보다 정확한 주사 터널 현미경 시뮬레이션에 대해서 선도적인 역할을 할 것으로 기대됨.
기능성 금속 표면을 함유한 고효율 이산화탄소 환원 촉매를 선도적으로 확보함으로 서 에너지 산업의 혁신을 가져오는데 본 연구의 원천기술이 마중물의 역할을 할 수 있음. 또한 추가 응용 기술개발에 대한 산업적 기반이 될 것이고, 이를 바탕으로 차세대 나노소자 개발에 대한 주도적인 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대됨.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 가. 구리 산화 박막 원자구조 규명 ... 6
• 나. 구리 기반 합금의 이산화탄소 환원 촉매 탐구 ... 7
• 다. 금-구리 합금 및 코어/쉘 구조 탐구 ... 8
• 라 . 수용액 상의 이온의 열역학 및 반응 경로 영향성 평가 ... 9
• 마. 머신러닝 포텐셜 및 구조 최적화 알고리즘 ... 9
• 바. 산소발생반응 촉매 탐구 ... 10
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 12
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 12
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 12
• 3) 목표 달성 수준 ... 12
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 13
• 가. 기술적 파급효과 ... 13
• 나. 산업적 파급효과 ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 자체점검표 ... 14
• 7. 참고문헌 ... 14
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 17
• 끝페이지 ... 21