초록 ▼

□ 연구개요
- 데이터베이스 기반 하이스루풋 스크리닝 및 기계학습 원리를 이용한 촉매 소재 개발연구에 있어서 필수 요소인 데이터베이스의 체계적 구축을 위해 1) 정확하고 일관된 제일원리 계산 방법론과 2) 현실적인 촉매 표면모델 설계 방법을 정립하고, 3) 새로운 촉매 활성 기술자 (Descriptor) 개발을 목표로 한다.
- “계산 방법론 측면”에 전기화학촉매 반응을 설명하는 가장 보편적인 방법인 범밀도 함수이론과 전산수소전극 (Computational Hydrogen Electrode, CHE) 모델을 접목한 자유에

□ 연구개요
- 데이터베이스 기반 하이스루풋 스크리닝 및 기계학습 원리를 이용한 촉매 소재 개발연구에 있어서 필수 요소인 데이터베이스의 체계적 구축을 위해 1) 정확하고 일관된 제일원리 계산 방법론과 2) 현실적인 촉매 표면모델 설계 방법을 정립하고, 3) 새로운 촉매 활성 기술자 (Descriptor) 개발을 목표로 한다.
- “계산 방법론 측면”에 전기화학촉매 반응을 설명하는 가장 보편적인 방법인 범밀도 함수이론과 전산수소전극 (Computational Hydrogen Electrode, CHE) 모델을 접목한 자유에너지 다이어그램 (Free Energy Diagram, FED) 기법의 범밀도함수 의존성을 평가하여 최적의 제일원리 계산 방법론을 정립.
- “모델 설계 측면”에서 촉매 물성을 고려한 현실적인 촉매 표면모델 설계와 정확한 촉매 활성 평가.
- “촉매 활성 기술자 측면”에서 외부 전압 혹은 구조변형이 인가된 환경에서 보다 현실적인 촉매 활성을 표현 할 수 있는 기술자 개발.

□ 연구 목표대비 연구결과
세부목표1: 정확하고 일관된 제일원리 계산 방법론
- 기존 제일원리 계산의 한계를 극복한 표면구조의 두께에 따른 수소 흡착 세기 계산을 통하여 일관된 활성을 나타낼 수 있는 활성 평가 방법론 정립.
- 다양한 범밀도함수에 따른 수소 발생용 대표 촉매인 백금의 활성 결정 및 이러한 방법을 다른 소재에 적용한 활성 예측값 분석 기반 범밀도함수 의존성을 검증함.
- 특히, 다양한 전이금속 대한 범밀도함수 종류 기반 수소 발생용 활성 결정을 통해, 실험적 오차를 줄이고 촉매 활성에 대한 이론-실험 상관관계를 나타내는 범밀도함수별 volcano plot 데이터 구축.

세부목표2: 현실적인 촉매 표면모델 설계 방법을 정립
- 전극내 전극-계면 상호작용을 반영하기 위해, 흡착물 coverage를 고려한 탄화 티타늄 기반 전이금속계 단원자 촉매를 설계하고 이때 열역학적인 수소층 표면의 형성 가능성을 면밀하게 파악하는 방법론 구축.
- 반응 환경이 고려된 촉매 표면 모델에서의 촉매 활성, 전자구조 등 다양한 물리/화학적 물성을 기반으로 촉매 활성 규명 및 흡착물 coverage에 의한 단원자 촉매의 안정성/내구성을 이론적으로 파악함으로서 실제 응용 가능성까지 정확히 해석함.

세부목표3: 새로운 촉매 활성 기술자 (Descriptor) 개발
- 곡률 형태를 이용하여 p 오비탈 혼성화를 유도하고 평면 구조보다 흡착물과의 결합을 용이하게 끔 촉매 설계를 성공함.
- 특히, 양의 곡률이 음의 곡률에 비해 페르미 준위에 근접한 전자구조 분포를 가지며 이러한 거동이 흡착물 혼성화를 이끌고 촉매 활성을 높임을 밝힘.
- 이론적으로 기하학, 전자구조 관점에서 두 물성이 완벽한 상관관계를 구축하고, 이를 기반으로 곡률을 가지는 나노구조체에 대한 촉매 활성을 해석 및 향상 시키는 새로운 기술자를 구축함.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
-급속히 고성능화 되고 있는 슈퍼컴퓨터와 함께 양자역학 기반 제일원리 전산 프로그램의 발달이 기계학습과 연동되어, 광범위한 나노 스케일 소재 후보군에 대한 고속 스크리닝 같은 새로운 연구개발 패러다임을 구축하고 있음.
- 하이스루풋 스크리닝 및 기계학습은 소재 개발 측면에서 축적된 데이터를 기반으로 그동안의 연구자들이 생각하지못했던 소재 후보군을 빠르게 찾을 수 있을 것으로 기대되고 있음.
- 하지만, 데이터베이스 기반 하이스루풋 스크리닝 및 기계학습 원리를 이용한 촉매 소재 개발연구에 있어서 정확하고 체계적인 데이터베이스 구축은 매우 중요한 필수 요소임.
- 따라서, 본 연구결과 성공적인 “데이터베이스 기반 촉매 소재 개발연구”를 위한 정확하고일관된 “제일원리 계산방법론”을 제시함으로써 “정확하고 체계적인 데이터베이스 구축”을 가능하게 할 것임.
- 또한, 촉매 연구에 범용적으로 사용되는 FED 방법론의 문제점을 OPNS의 적용을 통해 새롭게 발전 및 재해석할 수 있는 “제일원리 계산방법론”제시 하여 FED 방법론을 다양한 소재들의 촉매 활성 평가에 있어 보다 정확하고 강력한 방법론으로 발전시킬 것임.
- 본 연구 과제를 통해 기존의 FED방법론을 사용한 평형 촉매반응 해석이 아닌 실제 실험환경과 유사한 조건에서 기존의 불완전한 기술자를 보완할 수 있는 파급효과가 큰 상위기술을 국내에서 선제적으로 정립 및 활용할 수 있다는 점에서 학술적 의미가 있음.
- 데이터베이스 기반 촉매 소재 개발을 위한 제일원리 계산방법론 연구로 정립된 촉매 연구 방법론은 "연료전지촉매", "금속-공기 전지 촉매", "태양전지촉매" "Redox Flow 전지 촉매" 등 다양한 에너지 소재 연구에 활용될 수 있음.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 1-1. 연구개발과제의 필요성 ... 5
• 1-2. 연구개발과제의 목표 및 내용 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 10
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 16
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 16
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 16
• 3) 목표 달성 수준 ... 16
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 17
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 17
• 6. 자체점검표 ... 17
• 7. 참고문헌 ... 18
• 끝페이지 ... 44