HE

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 제일원리계산을 통한 니켈-철 기반 옥시수산화물의 전기화학적 산소 발생반응 효율

영문 : Study of Ni-Fe based oxyhydroxide catalysts for electrochemical oxygen evolution reaction by first-principles calculations

과제 팀명

HE

지도교수

유종석 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20165500** 양*재(팀장)

서울시립대학교 물리학과 20175500** 이*비

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

• 전기화학적 물 분해는 태양 에너지, 풍력 에너지 등을 이용하여 친환경적으로 순수한 수소와 산소를 생산할 수 있는 방법이다. 물 안에 두 전극을 두고 전압을 걸어주면, 음극에선 수소가 발생하고, 양극에선 산소가 발생한다. 이 반응을 각각 Hydrogen Evolution Reaction(HER), Oxygen Evolution Reaction(OER)이라 한다. 근래에 전기화학적 물 분해 주제에 대해서 많은 연구 중 OER 촉매 연구가 큰 비중을 차지하고 있다. OER은 HER보다 매커니즘이 복잡하고 더 많은 전압을 필요로 하므로 보다 효율적이고 경제적인 생산량을 위해 OER 촉매 연구가 중요시된다. OER에 영향을 주는 요인으로 촉매 종류에 따른 과전압, 촉매 구조, 전류, 전해질 농도 등을 꼽을 수 있다.

• 촉매는 전기화학적 반응이 잘 일어날 수 있는 구조여야 한다. 생성물끼리 반응과 반응물 회수가 수월할 수 있도록 생성물과 반응물이 촉매와 너무 강하지도 약하지도 않은 적당한 결합 에너지를 가져야 한다. 또한 중간체와의 결합력 역시 촉매 결정에 중요한 요인이 된다.

• 과전압이란 평형 조건에서의 반응 퍼텐셜과 반응이 일어나는 퍼텐셜의 차이로 필요 이상의 에너지가 소요되는 원인이다. 과전압에는 전하 전달 과전압, 물질 전달 과전압, 반응 과전압 등이 있다. 이 중 반응 과전압은 촉매를 사용하여 줄일 수 있다. OER 반응의 각 단계에서 1.23V에 가까운 퍼텐셜을 갖는 촉매일수록 이상적인 촉매에 가깝다.

• OER에서 전자의 이동에 따라 반응이 진행되므로 촉매의 전자구조는 매우 중요하다. 따라서 many-body system인 전자 구조를 모델링 하는 Density Functional Theory(DFT)를 이용하여 이론적인 계산을 통해 보다 연구를 빠르고 정확하게 할 수 있다.

• 현재 OER에서 사용하고 있는 촉매는 주로 귀금속이어서 경제성이 떨어지고, 안정성 역시 만족스럽지 않은 부분이 있다. 이에 반해 NiFe-layered double hyroxide nanosheets에 상대적으로 낮은 환원 퍼텐셜을 지닌 음이온이 존재하는 촉매는 OER 활성을 높이면서 비용적으로 부담이 덜하고 안정성을 갖추고 있어 보다 효율적인 촉매라고 할 수 있다.

개발 과제의 배경

• 최근 많은 연구진들은 적절한 OER 촉매를 발견하기 위해서 DFT를 사용하기 시작하였다. DFT란 Schrodinger 방정식을 전자 하나하나에 대해 푸는 대신, 전자밀도를 이용하여 전체 에너지를 계산하는 방법이다. DFT를 사용한 촉매 계산은 실험으론 보일 수 없는 매커니즘과, 소재 안정성을 예측할 수 있으며 이론적 계산을 통해 소재를 스크리닝 하여 실험 시간을 단축시킬 수 있다. 따라서 DFT의 원리를 이해하고 사용해 봄으로써 최적의 OER 촉매를 찾고자 한다.

• 지속 가능한 에너지 생산에 집중하고 있는 현재, 전기분해는 최적의 방법이다. 물이란 물질은 지구에서 쉽게 구할 수 있고, 이로부터 얻는 수소와 산소는 중요한 에너지원으로 사용되기 때문이다. 더욱이 태양 에너지 기술 등과 결합해 친환경적인 에너지 생산도 가능하다. 전기분해를 더 효율적으로 발생시키는 촉매를 찾음으로써 지속 가능한 에너지 생산에 기여 할 수 있다.

• 현재 Pt, Ru 혹은 Ir와 같은 귀금속 종류의 촉매가 OER에서 사용되는데, 시간이 지남에 따라 부식 등과 같은 이유로 교체해줘야 하므로 에너지 생산하는 데 상당한 비용이 필요하다. 또한 촉매의 안정성 문제도 가지고 있어 다른 적합한 OER 촉매 개발이 필요하다. 이 프로젝트를 통해 개발한 촉매를 통해 경제적이고 안정적인 OER을 이뤄낼 수 있다.

• 여러 선행 연구를 보면 OER을 alkaline 전해질에서 한다. 이는 OER 촉매로 사용되는 주재료는 금속이기 때문이다. 금속은 산성 전해질 내에서 부식이 일어나고 불안정하므로 alkaline 전해질에서 반응을 하는 것이다.

• 현재 사용되고 있는 촉매의 단점을 보완하며 대체하기 위해선 가격이 낮고, 안정적이고, 효율이 높은 촉매를 구해야 한다. NiFe-layered double hyroxide nanosheets에 높은 환원 능력을 지닌 음이온을 intercalation을 하면 앞서 말한 조건들을 충족하는 촉매가 된다.

개발 과제의 목표 및 내용

• 이론적으로 OER을 설명하기 위해서는 실제 전기화학적 물 분해 상황과 가장 유사하도록 모델링하는 것이 필요하다. 이러한 모델링을 이용한 DFT 계산은 OER 촉매의 효율성 판단의 기반이 된다.

• Oxygen evolution reaction에서 효율적인 촉매는 낮은 과전압을 필요로 한다. 촉매 효율 및 OER 매커니즘 연구를 위해서, 기존에 사용되어 왔던 , 와 같은 촉매 뿐 아니라 다양한 촉매의 과전압을 DFT 이론으로 구한 Free energy를 바탕으로 계산하고 Volcano plot을 통해 효율적인 촉매를 선별한다.

• 수소 발생 반응에서 Ni/Fe (옥시)수산화물은 기존의 촉매를 대체할 활성도를 보인다. 이러한 재료 의 Bulk 구조 내 Fe가 OER activity에 끼치는 영향과 edge/defect sites에서의 Fe가 OER activity에 끼치는 영향을 분석하여 Ni/Fe (옥시)수산화물의 촉매 반응에서 활성 자리를 이론적으로 규명하고자 한다.

• Layered double hydroxides 구조는 두 수산화물 음이온 층 사이에 금속 양이온 층이 존재하는 층상 구조의 재료로 실제 환경에서 NiFe-LDH는 높은 OER 활성도를 보인다고 알려져 있다. 하지만 재료의 intercalated ions이 OER activity에 끼치는 영향은 불명확하다. 따라서 여러 anion을 intercalation 하여 각각의 재료에 대한 Tafel slope, OER current density 등을 계산하고 효율성을 평가한다.

• DFT 계산을 통하여 얻어진 촉매의 거동을 기존 실험 결과와 비교하고 위 연구에 의해 제시된 촉매 실험을 통하여 계산 결과를 실험적으로 검증하는 단계를 통하여 매커니즘 등 계산 결과에 의한 신뢰성을 높인다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

내용

• 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

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

관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용