Cascade - 편집 역사

Ghkrhd3: /* 프로토타입 사진 혹은 작동 장면 */

2020-12-20T11:57:22Z

‎프로토타입 사진 혹은 작동 장면

Ghkrhd3: /* 상세설계 내용 */

2020-12-20T11:57:04Z

‎상세설계 내용

Ghkrhd3: /* 이론적 계산 및 시뮬레이션 */

2020-12-20T11:56:52Z

‎이론적 계산 및 시뮬레이션

Ghkrhd3: /* 개념설계안 */

2020-12-20T11:42:00Z

‎개념설계안

Ghkrhd3: /* 설계 사양 */

2020-12-20T11:37:11Z

‎설계 사양

Ghkrhd3: /* 제품의 요구사항 */

2020-12-20T11:35:34Z

‎제품의 요구사항

Ghkrhd3: /* 제품의 요구사항 */

2020-12-20T11:35:20Z

‎제품의 요구사항

Ghkrhd3: /* 서론 */

2020-12-20T11:31:52Z

‎서론

Ghkrhd3: /* 이론적 계산 및 시뮬레이션 */

2020-12-17T11:21:55Z

‎이론적 계산 및 시뮬레이션

Ghkrhd3: /* 이론적 계산 및 시뮬레이션 */

2020-12-17T11:16:48Z

‎이론적 계산 및 시뮬레이션

@@ 203번째 줄: / 203번째 줄: @@
 ==결과 및 평가==
 ===완료 작품의 소개===
 ====포스터====
 [[파일:cascade_poster.jpg|1000픽셀|섬네일|가운데|포스터]]

← 이전 판		2020년 12월 20일 (일) 11:57 판
200번째 줄:		200번째 줄:

	- 분석 결과 PtAg24 촉매에 금 원자가 추가될수록 수소 흡착 에너지가 감소하였고, 이는 기존의 전이 금속 촉매에서 촉매 활성을 컨트롤하기 위해 사용하는 기법 중 하나인 합금 (alloying)이 나노 입자 촉매에서도 그대로 적용될 수 있음을 나타냄.		- 분석 결과 PtAg24 촉매에 금 원자가 추가될수록 수소 흡착 에너지가 감소하였고, 이는 기존의 전이 금속 촉매에서 촉매 활성을 컨트롤하기 위해 사용하는 기법 중 하나인 합금 (alloying)이 나노 입자 촉매에서도 그대로 적용될 수 있음을 나타냄.
−
−	~~===상세설계 내용===~~
−	내용

	==결과 및 평가==		==결과 및 평가==

@@ 153번째 줄: / 153번째 줄: @@
 [[파일:cascade_12.jpg|섬네일|가운데|800픽셀|계산 모델인 은 나노 클러스터(Ag25) 모식도]]
-- 알칼라인 조건에서 뛰어난 수소 발생 활성을 보이는 은 나노 클러스터 촉매.
+- 은 금속 13개로 이루어진 정이십면체 코어(Ag13)를 황, 탄화수소, 은 금속으로 이루어진 금속-비금속 혼재 리간드(Ag2(SCH3)3) 6개로 둘러싼 형태의 은 나노 클러스터 촉매 구현
-- 나노 클러스터 구조는 클러스터의 코어는 은 원자 3개가 정이십면체 각 꼭짓점과 정중앙에 배치되어 구성됨.
+- 염기성 용액에서 수소 생성 반응을 활성화하기 위해서는 물을 쉽게 분해할 수 있는 금속이 필요함. 따라서 구조의 중앙에 Pt, Pd, Au 원자를 각각 도핑한 bimetallic 나노 촉매와, Pt 원자가 중앙에 도핑된 구조에 금 원자를 추가한 trimetallic 나노 촉매를 계산 모델로 설정함.
-- 코어를 황원자와 탄화수소, 은으로 이루어진 유기금속 리간드 6개가 둘러싼 나노 클러스터 구조.
+- 나노 입자 촉매의 활성을 비교하기 위해 금 나노 입자 촉매 또한 구현하였음.
 [[파일:cascade_11.jpg|섬네일|가운데|800픽셀|리간드 제거 메커니즘 모식도]]
@@ 163번째 줄: / 163번째 줄: @@
 - 환원 조건 하에서 리간드의 황 원자에 수소가 흡착해 HSCH3의 형태로 제거될 수 있음.
-- 리간드가 제거됨으로써 가려져있던 금속 표면이 드러남. 따라서 기존의 3-fold 위치 뿐 아니라 새로운 bridge 위치가 반응의 활성 사이트로 작용하게 됨.
+- 계산화학적으로 리간드 하나가 제거되는데 필요한 최소 전압을 예측한 결과 실험의 전처리 단계 포텐셜인 -1.4V 하에서는 모든 계산 모델에서 리간드 1개가 제거될 수 있음. (계산의 편의성을 위해 리간드의 제거는 1개만 고려함)
 [[파일:cascade_13.jpg|섬네일|가운데|800픽셀|리간드 제거 모델에서 계산 결과 나타난 수소 발생 반응 활성점 모식도]]
@@ 171번째 줄: / 169번째 줄: @@
 - 그림에 표시된 오렌지색, 마젠타색의 위치는 수소가 붙어 반응할 수 있는 활성 사이트들로, 각각 Bridge, 3-fold로 나타냄.
-- 3-fold의 경우에는 리간드가 제거되기 전 표면에서도 존재하며 가장 활성이 높음.
+- 3-fold의 경우에는 리간드가 제거되기 전 표면(intact surface)에도 존재하며 이 때 해당 위치의 활성이 가장 높음.
 - 그러나 리간드가 제거되면서 그 자리에 생기는 Bridge 위치가 몇몇 표면들에서 3-fold보다 활성이 더 높다는 계산 결과.
@@ 177번째 줄: / 175번째 줄: @@
 [[파일:cascade_8.jpg|섬네일|가운데|800픽셀|각 표면에서 계산된 수소 흡착 에너지 다이어그램]]
-- 은 금속을 기반으로 한 나노 입자 촉매를 구현하고, 구조의 중앙에 Pt, Pd, Au 원자를 각각 도핑한 bimetallic 나노 촉매와, Pt 원자가 중앙에 도핑된 구조에 금 원자를 추가한 trimetallic 나노 촉매를 계산 모델로 설정함.
+- 수소 생성 반응의 중간체인 수소 원자가 흡착할 수 있는 위치 2개(3-fold, bridge)에 직접 흡착시켜 계산해봄.
-- 사용된 모든 촉매들로부터 리간드 1개가 제거될 수 있는 전압을 계산하여, 실험 환경에서 진행되는 pre-electrolysis 단계의 전압과 비교분석함. 리간드의 제거는 계산의 편의성을 위해 1개만 고려하도록 함.
+- 수소 흡착 에너지를 계산한 결과, 은 나노 입자 촉매에 백금을 도핑한 경우 (PtAg24) 활성의 증가가 나타나긴 하지만, 상용 촉매와 비교하였을 때 유의미한 활성 값을 가지지 못함.
-- 수소 생성 반응의 중간체인 수소 원자가 흡착할 수 있는 위치를 2~3개 선정하고 이 위치에 직접 흡착시켜 계산해봄.
+- 금 원자를 8개 도핑한 PtAu8Ag16에서의 수소 흡착 에너지가 약 0.1eV 정도로 열역학적으로 반응에 대한 활성이 기존의 백금 촉매와 거의 비슷하여, 소량의 백금과 금을 포함하면서도 수소 생성 반응에 높은 촉매 활성을 나타내는 촉매를 개발했음.
-- 수소 흡착 에너지를 계산한 결과 PtAg24 표면에서는 수소 생성 반응의 촉매 활성이 높지 않으나, 금 원자를 8개 도핑한 PtAu8Ag16에서의 수소 흡착 에너지가 PtAu24와 거의 비슷하여 소량의 백금과 금을 포함하면서도 수소 생성 반응에 높은 촉매 활성을 나타냄.
+- 계산 결과를 실험 결과와 비교했을 때, 대부분 잘 맞아떨어졌지만 Au25의 경우 잘 맞지 않았음.
 [[파일:cascade_10.jpg|섬네일|가운데|800픽셀|나노 클러스터 촉매 상에서 알칼라인 수전해 실험 결과]]
-- 알칼라인 조건에서의 수소 발생 반응은, Tafel slope 값에 따라 Rate-determining step을 알 수 있음.
+- 알칼라인 조건에서의 수소 발생 반응은, Tafel slope 값에 따라 Rate-determining step을 예측할 수 있음.
 - 실험 결과 백금이 도핑된 경우에는 Tafel slope 값이 낮아 물 해리 단계가 잘 일어남.
-- 그러나 Au25의 경우에는 물 분자 해리가 잘 일어나지 않고 Volmer step이 RDS가 되면서 전체적 활성이 낮아짐.
+- 그러나 Au25의 경우에는 Tafel slope 값이 높아, 물 분자 해리가 잘 일어나지 않고 Volmer step이 RDS가 되면서 전체적 활성이 낮아짐.
-- 이는 금으로 나노클러스터를 합성할 시 촉매 표면에서 물의 해리 반응이 일어나기 힘들어 나타나는 현상.
+- 이는 금으로만 나노 입자 촉매를 합성할 시 촉매 표면에서 물의 해리 반응이 일어나기 힘들어 나타나는 현상으로, 백금 계열 금속과 같이 반응성이 높은 금속을 함께 사용하지 않으면 염기 조건에서의 수소 발생 반응 활성이 낮다는 한계를 보여줌.
 [[파일:cascade_9.jpg|섬네일|가운데|800픽셀|나노클러스터 촉매 상에서 수소 발생 반응에 대한 볼케이노 플롯 그래프]]
-- 볼케이노 플롯은 반응 중간체의 흡착 에너지와 반응의 과전압 사이의 관계를 나타낸 것. 이를 활용해 촉매를 스크리닝 하거나 아직 실험적으로 합성되지 않은 촉매 물질을 설계함으로써 새로운 고성능의 촉매를 예측할 수 있음.
+- 볼케이노 플롯은 반응 중간체의 흡착 에너지와 반응의 과전압 사이의 관계를 나타낸 것으로 이를 활용해 촉매를 스크리닝 하거나 아직 실험적으로 합성되지 않은 촉매 물질을 설계함으로써 새로운 고성능의 촉매를 예측할 수 있음.
 - 볼케이노 플롯의 꼭대기에 가까워질수록 과전압이 낮은 고성능 촉매임을 의미함.
-- 분석 결과 PtAg24 촉매에 금 원자가 추가될수록 수소 흡착 에너지가 감소함.
+- 분석 결과 PtAg24 촉매에 금 원자가 추가될수록 수소 흡착 에너지가 감소하였고, 이는 기존의 전이 금속 촉매에서 촉매 활성을 컨트롤하기 위해 사용하는 기법 중 하나인 합금 (alloying)이 나노 입자 촉매에서도 그대로 적용될 수 있음을 나타냄.
 ===상세설계 내용===

@@ 142번째 줄: / 142번째 줄: @@
 ===개념설계안===
-내용
+- 기본적인 은 나노 입자 촉매를 먼저 구현한 뒤, 이종원소 도핑 기법을 통해 다양한 촉매 표면을 구현
 ===이론적 계산 및 시뮬레이션===

@@ 139번째 줄: / 139번째 줄: @@
 ====설계 사양====
-내용
+- VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package)와 ASE (Atomic Simulation Environment)을 활용하여 은 나노 입자 촉매를 컴퓨터 상에 구현하고 열역학적 계산 수행
 ===개념설계안===

@@ 133번째 줄: / 133번째 줄: @@
 ====제품의 요구사항====
 - 은 나노입자 촉매가 실제 실험 조건에서 존재하는 구조에 대한 분석 (리간드 제거 가능성 분석)
 - 백금 계열 금속을 이용한 이종 도핑이 촉매의 활성에 끼치는 영향 파악
 - 리간드의 유무에 따른 활성 사이트 및 활성에 대한 비교 분석

@@ 110번째 줄: / 110번째 줄: @@
 :– 출원인: 김성웅, 이규형
 :-요약 : 현재 사용되는 HER용 촉매는 백금계의 귀금속을 사용하는 시스템이므로 설비가 고가이며 백금의 표면이 산화되어 장시간 가동 시 성능이 저하되는 안정성의 문제가 있기 때문에 대량생산 및 성능 개선을 위한 한계가 있었음. 따라서 상기 문제점을 해결하기 위해 비귀금속(precious metal free)계 촉매들을 개발해 수소발생 반응활성이 높고 안정성이 우수한 수소발생 반응용 전자화물 촉매를 제공하고자 한다. 전자화물은 낮은 일함수를 가져 전자방출소재로 활용 가능하고, 높은 자기 엔트로피 변화량으로 인해 자성소재(경자성 소재, 자기열 소재 등)로 활용 가능하며, 높은 전자전달 효율로 인해 촉매 소재로 널리 활용될 수 있는 물질이다. 전자화물은 기존 화학 양론적 소재의 개념과는 전혀 다른 결정 내부의 특정 공간에 전자가 존재하는 특성의 소재로 구현 가능한 조성에 대한 설계 및 합성이 어렵고, 물성이 구성 원소 및 구조적 특성에 따라서 민감하게 변하여 그 기능적 특성을 예측하는 것에도 기술적인 제약이있어 최근까지 연구사례는 매우 드문 상황이다.
 ===개발과제의 기대효과===

@@ 175번째 줄: / 175번째 줄: @@
 [[파일:cascade_8.jpg|섬네일|가운데|800픽셀|각 표면에서 계산된 수소 흡착 에너지 다이어그램]]
-- 먼저 은 금속을 기반으로 한 나노 입자 촉매를 구현하고 구조의 중앙 위치에 백금, 팔라듐, 금 원자를 각각 도핑한 bimetallic 나노 촉매와(그림 3-(a)), 백금 원자가 중앙에 도핑된 구조에 금 원자를 추가한 trimetallic 나노 촉매를 만듦.
+- 은 금속을 기반으로 한 나노 입자 촉매를 구현하고, 구조의 중앙에 Pt, Pd, Au 원자를 각각 도핑한 bimetallic 나노 촉매와, Pt 원자가 중앙에 도핑된 구조에 금 원자를 추가한 trimetallic 나노 촉매를 계산 모델로 설정함.
-- 염기성 용액에서 수소 생성 반응을 활성화하기 위해서는 물을 쉽게 분해할 수 있는 금속이 필요하기 때문에, 중앙 원자 하나만을 백금으로 치환함으로써 물을 쉽게 분해할 수 있게 만들면서 백금의 사용을 최소화한 촉매 구현. 촉매 성능의 비교를 위해 금 기반 나노 입자 촉매 또한 구현.
+- 염기성 용액에서 수소 생성 반응을 활성화하기 위해서는 물을 쉽게 분해할 수 있는 금속이 필요함. 따라서 중앙 원자 하나만을 백금으로 치환함으로써 물을 쉽게 분해할 수 있게 만들면서, 백금의 사용을 최소화한 촉매 구현. 촉매 성능의 비교를 위해 금 기반 나노 입자 촉매 또한 구현.
-- 사용된 모든 촉매들로부터 리간드 1개가 제거될 수 있는 전압을 계산하여 실험 환경에서 진행되는 pre-electrolysis 단계의 전압과 비교분석함. 리간드의 제거는 계산의 편의성을 위해 1개만 고려하도록 함.
+- 사용된 모든 촉매들로부터 리간드 1개가 제거될 수 있는 전압을 계산하여, 실험 환경에서 진행되는 pre-electrolysis 단계의 전압과 비교분석함. 리간드의 제거는 계산의 편의성을 위해 1개만 고려하도록 함.
-- 결정된 촉매 구조 표면에서 수소 생성 반응의 중간체인 수소 원자가 흡착할 수 있는 위치를 2~3개 선정하고 이 위치에 직접 흡착시켜 계산해봄.
+- 수소 생성 반응의 중간체인 수소 원자가 흡착할 수 있는 위치를 2~3개 선정하고 이 위치에 직접 흡착시켜 계산해봄.
-- 예측한 2가지 활성 위치 중 각 촉매에 따라 더 안정한 위치에서의 수소 흡착 에너지를 계산한 결과 PtAg24 표면에서는 수소 생성 반응의 촉매 활성이 높지 않으나 금 원자를 8개 도핑한 PtAu8Ag16에서의 수소 흡착 에너지가 PtAu24와 거의 비슷하여 소량의 백금과 금을 포함하면서도 수소 생성 반응에 높은 촉매 활성을 나타냄.
+- 수소 흡착 에너지를 계산한 결과 PtAg24 표면에서는 수소 생성 반응의 촉매 활성이 높지 않으나, 금 원자를 8개 도핑한 PtAu8Ag16에서의 수소 흡착 에너지가 PtAu24와 거의 비슷하여 소량의 백금과 금을 포함하면서도 수소 생성 반응에 높은 촉매 활성을 나타냄.
 [[파일:cascade_10.jpg|섬네일|가운데|800픽셀|나노 클러스터 촉매 상에서 알칼라인 수전해 실험 결과]]