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2020년 12월 14일 (월) 07:00 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 계산화학을 이용한 염기성 조건에서 전기화학적 수소 생성 반응에 효율적인 은 나노 촉매 설계

영문 : Computational design of ligand-protected Ag nanocluster catalysts for electrochemical hydrogen evolution reaction in alkaline medium

과제 팀명

Cascade

지도교수

유종석 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20173400** 최*지(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20153400** 이*우

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

- 수소 기체(H2)를 전기화학적 방식으로 생산

- 25개의 은(Ag) 원자에 18개의 리간드가 둘러싸인 구조를 기반으로, 여러 금속이 도핑(doping)된 형태의 촉매 (MAg24(SR)18)

- VASP(Vienna Ab initio Simulation Package)과 ASE(Atomic Simulation Environment)를 이용해 촉매를 구현하고 반응의 에너지를 계산

- 수소 기체를 효율적으로 생산할 수 있는 전기화학촉매 개발

개발 과제의 배경

- 수소 기체(H2)는 연료로 사용될 때 이산화탄소 등 대기 오염 물질을 배출하지 않고 저장 및 이동이 용이하며, 높은 활용도를 가져 최근 화석 연료를 대체할 에너지로 주목받고 있다. 그러나 현재 세계 수소 기체 생산량의 90% 이상이 화석 연료를 이용해 만들어지는데, 신재생 에너지로부터 오는 전기를 이용하여 전기화학적 방식을 통해 수소를 생산하면 화석 연료의 사용 없이 친환경적 수소 생산이 가능하다.

- 전기화학적으로 수소를 생산하기 위해 기존에 이용되던 PEM(Proton Exchange Membrane) 시스템은 강한 산성도로 인한 부식과 안정성 문제, 이로 인한 유지비용 문제를 갖고 있다. 또한 기존에 수소 생성 반응에 활성이 높기로 잘 알려진 촉매로는 백금(Pt) 촉매가 있는데, 이는 촉매 활성은 높지만 가격 면에서 큰 단점을 갖는다. 기존 시스템의 문제를 해결하기 위해서는 염기성 조건에서 사용될 수 있으면서 백금 촉매에 비해 경제적인 촉매를 개발하는 것이 중요하다.

- 그러나 염기성 조건에서의 수소 생성 반응에 대한 촉매 활성은 산성 조건에서의 활성에 비해 전반적으로 낮은 경향을 보이는데, 이는 산성 조건에서는 용액 내 존재하는 다량의 프로톤을 통해 반응이 진행되는 것과는 달리 염기성 용액에서는 용액 내의 물이 분해되면서 생성되는 프로톤을 이용하기 때문이다. 따라서 염기성 용액에서는 물이 분해되는 과정에 필요한 에너지로 인해 전반적인 촉매 활성이 낮아지게 된다.

- 나노 입자 촉매는 금속 벌크 촉매에 비해 촉매 활성이 높으며 표면적이 커 효율적인 촉매를 설계하는 데에 큰 장점을 갖는다. 그 중에서도 금(Au) 원자 25개와 이를 둘러싼 18개의 비금속 리간드로 이루어진 나노 입자는 그 구조가 안정하다는 결과가 보고되어 해당 물질의 촉매 활성도 관련 연구가 진행되어 왔다. 최근 위 나노 입자와 동일한 구조의 은(Ag) 나노 입자 역시 안정성이 높다는 선행 연구 결과를 바탕으로 하여 관련 촉매 연구가 활발히 진행 중에 있다.

- 금이나 은 금속 촉매는 백금 계열 금속들과는 달리, 염기성 용액 내에서 물을 쉽게 분해하지 못하기 때문에 금 또는 은으로만 이루어진 촉매는 염기성 용액에서 높은 촉매 활성을 기대하기 어렵다. 따라서 염기성 용액에서 HER에 높은 활성을 갖는 촉매를 설계하기 위해서는 백금 계열 금속의 사용이 불가피하다. 선행 연구 결과에 따르면 금 또는 은 25개로 이루어진 나노 입자에 백금 계열 금속을 도핑하면 중앙 부분에 위치하는 원자만 치환된 형태로 존재하게 되는데, 이러한 기법을 이용하여 새로운 촉매 구조를 설계함으로써 촉매 활성의 증가를 기대할 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

- VASP 프로그램과 ASE를 이용하여 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au) 등의 금속이 도핑된 은(Ag) 원자 기반의 새로운 나노 촉매 물질을 구현하고, 실제 실험 환경에서 촉매가 어떠한 형태로 존재하는지 분석한다.

- 구현된 촉매 구조에서 수소 생성 반응의 중간체인 수소 원자가 흡착할 수 있는 활성 위치를 예측하고 그 위치에 수소 원자가 흡착되었을 때의 자유 에너지를 계산한다.

- 반응 중간체의 흡착 에너지를 비교함으로써 전기화학적 수소 생성 반응에 대한 촉매적 활성을 열역학적으로 분석한다.

- 수소 생성 반응에 높은 활성을 가지면서 가격 면에서 합리성이 높은 새로운 촉매 구조를 얻는다.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ===개발 과제의 개요===
 ====개발 과제 요약====
-  ◇ 수소 기체(H2)를 전기화학적 방식으로 생산
+-  수소 기체(H2)를 전기화학적 방식으로 생산
-  ◇ 25개의 은(Ag) 원자에 18개의 리간드가 둘러싸인 구조를 기반으로, 여러 금속이 도핑(doping)된 형태의 촉매 (MAg24(SR)18)
-  ◇ VASP(Vienna Ab initio Simulation Package)과 ASE(Atomic Simulation Environment)를 이용해 촉매를 구현하고 반응의 에너지를 계산
+-  25개의 은(Ag) 원자에 18개의 리간드가 둘러싸인 구조를 기반으로, 여러 금속이 도핑(doping)된 형태의 촉매 (MAg24(SR)18)
-  ◇ 수소 기체를 효율적으로 생산할 수 있는 전기화학촉매 개발
+-  VASP(Vienna Ab initio Simulation Package)과 ASE(Atomic Simulation Environment)를 이용해 촉매를 구현하고 반응의 에너지를 계산
+-  수소 기체를 효율적으로 생산할 수 있는 전기화학촉매 개발
 ====개발 과제의 배경====
-  ◇ 수소 기체(H2)는 연료로 사용될 때 이산화탄소 등 대기 오염 물질을 배출하지 않고 저장 및 이동이 용이하며, 높은 활용도를 가져 최근 화석 연료를 대체할 에너지로 주목받고 있다. 그러나 현재 세계 수소 기체 생산량의 90% 이상이 화석 연료를 이용해 만들어지는데, 신재생 에너지로부터 오는 전기를 이용하여 전기화학적 방식을 통해 수소를 생산하면 화석 연료의 사용 없이 친환경적 수소 생산이 가능하다.
+-  수소 기체(H2)는 연료로 사용될 때 이산화탄소 등 대기 오염 물질을 배출하지 않고 저장 및 이동이 용이하며, 높은 활용도를 가져 최근 화석 연료를 대체할 에너지로 주목받고 있다. 그러나 현재 세계 수소 기체 생산량의 90% 이상이 화석 연료를 이용해 만들어지는데, 신재생 에너지로부터 오는 전기를 이용하여 전기화학적 방식을 통해 수소를 생산하면 화석 연료의 사용 없이 친환경적 수소 생산이 가능하다.
-  ◇ 전기화학적으로 수소를 생산하기 위해 기존에 이용되던 PEM(Proton Exchange Membrane) 시스템은 강한 산성도로 인한 부식과 안정성 문제, 이로 인한 유지비용 문제를 갖고 있다. 또한 기존에 수소 생성 반응에 활성이 높기로 잘 알려진 촉매로는 백금(Pt) 촉매가 있는데, 이는 촉매 활성은 높지만 가격 면에서 큰 단점을 갖는다. 기존 시스템의 문제를 해결하기 위해서는 염기성 조건에서 사용될 수 있으면서 백금 촉매에 비해 경제적인 촉매를 개발하는 것이 중요하다.
-  ◇ 그러나 염기성 조건에서의 수소 생성 반응에 대한 촉매 활성은 산성 조건에서의 활성에 비해 전반적으로 낮은 경향을 보이는데, 이는 산성 조건에서는 용액 내 존재하는 다량의 프로톤을 통해 반응이 진행되는 것과는 달리 염기성 용액에서는 용액 내의 물이 분해되면서 생성되는 프로톤을 이용하기 때문이다. 따라서 염기성 용액에서는 물이 분해되는 과정에 필요한 에너지로 인해 전반적인 촉매 활성이 낮아지게 된다.
+-  전기화학적으로 수소를 생산하기 위해 기존에 이용되던 PEM(Proton Exchange Membrane) 시스템은 강한 산성도로 인한 부식과 안정성 문제, 이로 인한 유지비용 문제를 갖고 있다. 또한 기존에 수소 생성 반응에 활성이 높기로 잘 알려진 촉매로는 백금(Pt) 촉매가 있는데, 이는 촉매 활성은 높지만 가격 면에서 큰 단점을 갖는다. 기존 시스템의 문제를 해결하기 위해서는 염기성 조건에서 사용될 수 있으면서 백금 촉매에 비해 경제적인 촉매를 개발하는 것이 중요하다.
-  ◇ 나노 입자 촉매는 금속 벌크 촉매에 비해 촉매 활성이 높으며 표면적이 커 효율적인 촉매를 설계하는 데에 큰 장점을 갖는다. 그 중에서도 금(Au) 원자 25개와 이를 둘러싼 18개의 비금속 리간드로 이루어진 나노 입자는 그 구조가 안정하다는 결과가 보고되어 해당 물질의 촉매 활성도 관련 연구가 진행되어 왔다. 최근 위 나노 입자와 동일한 구조의 은(Ag) 나노 입자 역시 안정성이 높다는 선행 연구 결과를 바탕으로 하여 관련 촉매 연구가 활발히 진행 중에 있다.
-  ◇ 금이나 은 금속 촉매는 백금 계열 금속들과는 달리, 염기성 용액 내에서 물을 쉽게 분해하지 못하기 때문에 금 또는 은으로만 이루어진 촉매는 염기성 용액에서 높은 촉매 활성을 기대하기 어렵다. 따라서 염기성 용액에서 HER에 높은 활성을 갖는 촉매를 설계하기 위해서는 백금 계열 금속의 사용이 불가피하다. 선행 연구 결과에 따르면 금 또는 은 25개로 이루어진 나노 입자에 백금 계열 금속을 도핑하면 중앙 부분에 위치하는 원자만 치환된 형태로 존재하게 되는데, 이러한 기법을 이용하여 새로운 촉매 구조를 설계함으로써 촉매 활성의 증가를 기대할 수 있다.
+-  그러나 염기성 조건에서의 수소 생성 반응에 대한 촉매 활성은 산성 조건에서의 활성에 비해 전반적으로 낮은 경향을 보이는데, 이는 산성 조건에서는 용액 내 존재하는 다량의 프로톤을 통해 반응이 진행되는 것과는 달리 염기성 용액에서는 용액 내의 물이 분해되면서 생성되는 프로톤을 이용하기 때문이다. 따라서 염기성 용액에서는 물이 분해되는 과정에 필요한 에너지로 인해 전반적인 촉매 활성이 낮아지게 된다.
+-  나노 입자 촉매는 금속 벌크 촉매에 비해 촉매 활성이 높으며 표면적이 커 효율적인 촉매를 설계하는 데에 큰 장점을 갖는다. 그 중에서도 금(Au) 원자 25개와 이를 둘러싼 18개의 비금속 리간드로 이루어진 나노 입자는 그 구조가 안정하다는 결과가 보고되어 해당 물질의 촉매 활성도 관련 연구가 진행되어 왔다. 최근 위 나노 입자와 동일한 구조의 은(Ag) 나노 입자 역시 안정성이 높다는 선행 연구 결과를 바탕으로 하여 관련 촉매 연구가 활발히 진행 중에 있다.
+-  금이나 은 금속 촉매는 백금 계열 금속들과는 달리, 염기성 용액 내에서 물을 쉽게 분해하지 못하기 때문에 금 또는 은으로만 이루어진 촉매는 염기성 용액에서 높은 촉매 활성을 기대하기 어렵다. 따라서 염기성 용액에서 HER에 높은 활성을 갖는 촉매를 설계하기 위해서는 백금 계열 금속의 사용이 불가피하다. 선행 연구 결과에 따르면 금 또는 은 25개로 이루어진 나노 입자에 백금 계열 금속을 도핑하면 중앙 부분에 위치하는 원자만 치환된 형태로 존재하게 되는데, 이러한 기법을 이용하여 새로운 촉매 구조를 설계함으로써 촉매 활성의 증가를 기대할 수 있다.
 ====개발 과제의 목표 및 내용====
-  ◇ VASP 프로그램과 ASE를 이용하여 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au) 등의 금속이 도핑된 은(Ag) 원자 기반의 새로운 나노 촉매 물질을 구현하고, 실제 실험 환경에서 촉매가 어떠한 형태로 존재하는지 분석한다.
+-  VASP 프로그램과 ASE를 이용하여 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au) 등의 금속이 도핑된 은(Ag) 원자 기반의 새로운 나노 촉매 물질을 구현하고, 실제 실험 환경에서 촉매가 어떠한 형태로 존재하는지 분석한다.
-  ◇ 구현된 촉매 구조에서 수소 생성 반응의 중간체인 수소 원자가 흡착할 수 있는 활성 위치를 예측하고 그 위치에 수소 원자가 흡착되었을 때의 자유 에너지를 계산한다.
-  ◇ 반응 중간체의 흡착 에너지를 비교함으로써 전기화학적 수소 생성 반응에 대한 촉매적 활성을 열역학적으로 분석한다.
+-  구현된 촉매 구조에서 수소 생성 반응의 중간체인 수소 원자가 흡착할 수 있는 활성 위치를 예측하고 그 위치에 수소 원자가 흡착되었을 때의 자유 에너지를 계산한다.
- ◇ 수소 생성 반응에 높은 활성을 가지면서 가격 면에서 합리성이 높은 새로운 촉매 구조를 얻는다.
+-  반응 중간체의 흡착 에너지를 비교함으로써 전기화학적 수소 생성 반응에 대한 촉매적 활성을 열역학적으로 분석한다.
+-  수소 생성 반응에 높은 활성을 가지면서 가격 면에서 합리성이 높은 새로운 촉매 구조를 얻는다.
 ===관련 기술의 현황===