[연구실 소개] 포항공과대학교 계산촉매 및 첨단소재설계 연구실

연구 개요

지난 수십 년 동안, 무어의 법칙으로 대변되는 집적회로 기술의 비약적인 발전을 통해 컴퓨터 성 능이 급격히 증대되었다. 이와 더불어 과학이론에 기반한 컴퓨터 시뮬레이션의 역량도 크게 확대되 었는데, 그 중에서도 양자역학에 기반한 제일원리 (first-principles) 계산 기법인 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 계산은 모델식이나 실험적 파라미터 등의 사전지식이 없어도 계산을 통해 특

정 물질 시스템에 대한 전자·원자 수준의 정보를 얻 을 수 있다는 장점이 있어, 화학공학 및 관련 분야에 서 그 활용도가 급격히 증가해오고 있다. 과거에는 실험만으로 원자 수준의 정밀한 변인 통제가 어려 웠기 때문에 주로 경험에 의존하여 화학 현상의 원 인을 추론했지만, DFT를 비롯한 첨단 계산화학 기 법의 등장으로 나노미터(nm) 이하의 수준에서 현 상의 원인을 정밀하게 해석할 수 있게 되었다. 오늘 날 DFT 계산은 전자·원자 수준에서 도출된 성능 인 자(descriptor)를 이용하여 대규모 스크리닝(high-

Laboratory, POSTECH)

한정우

포항공과대학교 화학공학과 [email protected]

그림 1. 계산과 실험이 융합된 합리적 설계 방법에 의한 신촉매 및 첨단소재의 개발.

throughput screening)을 진행한 후, 이로부터 선별된 유력한 고성능의 물질군을 실험 연구자에게 제공함 으로써 효율적인 신소재 디자인을 할 수 있도록 선 도하는 수준에 이르렀다. 최근에는 대량의 DFT 계 산 데이터를 머신러닝(machine learning) 기술에 접목 하여 핵심 물성에 대한 모델을 구축함으로써 광활한 화학적 공간(chemical space)에 대한 물질 탐색 과정 을 가속화하려는 시도가 세계적으로 활발히 이루어 지고 있다.

주요 연구분야

포항공과대학교 화학공학과의 계산촉매 및 첨단 소재설계 연구실은 상기한 계산화학적 방법에 기반 한 합리적 설계(rational design)를 통해 신촉매와 첨 단 소재를 개발하는 연구를 수행하고 있다. 또한, 고 성능의 첨단소재를 이론적으로만 예측하는 데 그치 지 않고, 소재합성, 특성분석 및 성능실험을 통해 예 측된 성능의 실험적 검증도 수행하고 있다. 본 연구 실에서는 크게 고체산화물 연료전지용 전극 설계, 액상유기수소운반체 시스템 개선, 자동차 배기가스 정화용 저온 활성 촉매 개발과 단일원자를 활용한 전기화학 촉매 등의 연구를 수행하고 있다.

1) 고체산화물 연료전지용 전극 설계

고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC) 는 타 연료전지 시스템에 비해 에너지 변환효율이 뛰어날 뿐만 아니라 탄화수소계 연료와 달리 산소의 산화·환원 반응 특성을 활용하기 때문에 친환경적인

에너지원으로 각광받고 있다. 또한, SOFC는 전극과 전해질이 모두 고체이므로 전지 안정성이 좋고 800

℃ 이상의 고온에서 작동하기 때문에 타 발전소의 폐열을 재활용하여 에너지 저장 및 변환하기에 용이 하다. 하지만 이 고온의 작동조건으로 인해 전극의 안정성 및 성능이 저하될 수도 있어 이를 개선하는 것이 SOFC 상용화의 가장 큰 숙제이다.

본 연구실에서는 계산화학적 기법을 통해 SOFC 의 양극(cathode) 및 음극(anode)의 안정성과 전극 성 능을 개선하기 위한 연구를 진행하고 있다. 양극에 대해서는 안정성 감소의 주요 원인인 페로브스카이 트(perovskite, ABO3) 재료에서 A-site 양이온이 석 출되는 현상의 원인을 규명하고 이를 억제하기 위 한 연구를 수행 중이며, 음극에 관해서는 산화·환원 조건에 따른 자발적 나노입자 형성 현상인 엑솔루션 (ex-solution)을 활용한 고성능·고안정성의 음극 설계 를 위한 연구를 수행하고 있다.

2) 액상유기수소운반체(LOHC) 시스템 개선 연구 최근 극심한 환경 오염 문제로 인해 지속 가능한 친환경 에너지원인 수소 에너지에 대한 관심이 전세 계적으로 커지고 있다. 수소 에너지를 이용하기 위 한 기술은 수소 생산, 수소 저장, 수소 운반, 수소 이 용 총 네 가지 영역으로 구분할 수 있는데, 특히 수 소 저장 기술은 아직 초고압 혹은 초저온의 극한 조 건의 반응기를 사용해야만 하는 수준에 머물러 있 다. 이를 극복하기 위해 유기물 기반 화합물에 대한 수소화/탈수소화 가역반응을 이용하여 수소를 저 장 및 방출하는 방법이 고안되어 왔다. 본 연구실에

그림 2. 고체산화물 연료전지 양극(왼쪽) 및 음극(오른쪽) 표면 반응 메커니즘 및 활성 감소의 원인.

서는 이 액상유기수소운반체(liquid organic hydrogen carriers, LOHC) 시스템의 성능을 개선하기 위해 LOHC 물질 자체의 성능을 개선하는 것과 수소화/탈 수소화 촉매 성능을 개선하는 두 가지 방향으로 연 구를 진행하고 있다.

LOHC 물질의 성능을 평가하는 지표로는 1 몰의 수소를 방출하기 위해 필요한 열역학적 에너지인 탈 수소화 엔탈피(dehydrogenation enthalpy)와 분자 하 나에서 최대로 방출할 수 있는 수소의 양을 질량비 로 나타내는 이론적 수소저장능력(hydrogen storage capacity) 등이 있는데, 이 두 요소는 작용기의 도입

을 개발하고 있다. 또한, 작용기의 도입과 이종원자 의 치환이 해당 LOHC 물질에 주는 영향을 분석하 여, 추후 LOHC 물질 선정에 지표 역할을 할 수 있는 연구를 수행 중이다.

수소화 반응과 달리 탈수소화 반응은 흡열반응 이기 때문에 반응열을 제어하거나 촉매 계면의 반응 을 조절하는 것이 수소화 반응에 비해 까다롭다. 그 러므로 탈수소화 촉매 반응의 개선을 위해 반응 메 커니즘의 이해가 필수적이다. 따라서 본 연구실은 계산화학에 기반하여 LOHC 물질에 관한 탈수소화 반응을 모사하여 촉매 간의 반응성 비교를 진행 중 에 있다. 또한, 전자 구조 분석과 분자 흡착 구조 분 석을 통해 도출한 탈수소화 반응성의 성능 인자를 이용하여 고성능 탈수소화 촉매의 스크리닝 연구를 수행 중이다.

3) 자동차 배기가스 정화용 저온 활성 촉매 개발 대기오염은 인간과 지구 생태계 전체에 악영향을 끼칠 수 있는 커다란 사회적 문제이다. 대기오염 농

그림 3. (a) 탈수소화 엔탈피와 이론적 수소저장 능력 데이터에 기 반한 물질 선별, (b) Pd, Pt 촉매 표면 위에 흡착된 decalin 의 전자 구조 정렬(alignment)과 흡착세기의 연관성, (c) Pd, Pt 촉매에서의 LOHC 탈수소화 메커니즘 분석.

그림 4. DFT 스크리닝을 통한 체계적인 촉매 설계와 도출된 촉매의 실험적 검증.

도를 감소시키기 위해 여러 대책 중에는 대표적으 로 자동차 배기가스 규제가 있다. 자동차 배기가스 는 대기오염의 주범으로 직접 심각한 오염을 일으키 기도 하지만, 미세먼지와 같은 2차 대기오염을 유발 하기도 한다. 이에 따라 미국과 유럽을 비롯한 여러 국가에서 자동차 배기가스를 저감하기 위한 규제를 점차 강화하고 있다. 특히, 일산화탄소(CO)는 그 배 출량의 대부분이 엔진이 충분히 가열되기 전인 저온 시동(cold start) 조건에서 배출되기 때문에 저온 작동 촉매의 개발이 중요하다. 그러나 저온에서 배기가스 를 줄일 수 있는 고효율의 촉매를 개발하는 일은 시 간과 비용 측면에서 많은 어려움이 있다. 따라서, 본 연구실은 이를 극복하기 위해 계산화학에 기반한 이 론적 분석과 자체적인 실험적 검증을 동시에 운용하 여 이론적인 촉매 설계부터 합성 및 검증에 이르는 체계적인 촉매 개발 연구를 진행하고 있다.

현재 다양한 분야에서 널리 이용되고 있는 세륨 산화물(CeO2) 촉매는 우수한 산화·환원 능력과 산소 저장 능력을 갖는다. 그러나 세륨 산화물은 저온 조 건에서 낮은 활성을 갖기 때문에 배기가스 규제를 충 족시키기 위해 획기적인 개선이 필요하다. 저온조건 에서 일산화탄소를 산화시키기 위해서는 흡착된 일 산화탄소에 산소를 공급하는 것이 중요하기 때문에 금속 산화물 촉매의 환원성(reducibility)을 개선하는

것이 매우 중요하다. 이를 위해 서로 다른 두 가지 금 속의 장점과 시너지 효과를 동시에 취할 수 있는 이 중 격자 치환(co-doping) 방법을 도입하고 DFT로 계 산한 산소공공형성 에너지(oxygen vacancy formation energy)를 성능 인자로 삼아 스크리닝 및 체계적인 촉 매 설계를 진행하였다. 그 결과, 이전에 보고되지 않 은 저온활성·고안정성의 우수한 촉매를 개발할 수 있었다. 또한, 본 연구실은 환원성이 높은 산화물 촉 매를 지지체(support)로 활용한 로딩 시스템(loading system)을 통해 더욱 개선된 고성능·고안정성 촉매 개 발 연구를 계속적으로 수행하고 있다.

4) 단일원자를 활용한 전기화학 촉매 설계

단일원자촉매는 하나의 원자가 지지체 위에 담지 된 촉매로, 백금과 같은 값비싼 촉매의 한계를 극복 할 수 있는 촉매로 각광받고 있다. 또한, 앙상블 자리 (ensemble site)의 부재로 기존 촉매와는 다른 흡착 양 상 및 메커니즘을 가지기 때문에 촉매의 활성과 반 응물의 선택도를 조절할 수 있다. 따라서, 가격 절감 뿐 아니라 기존 촉매의 한계를 뛰어넘는 활성을 가 질 수 있기 때문에 본 연구실에서는 단일원자촉매의 설계에 관한 연구를 활발히 진행하고 있다.

본 연구실에서는 이론적 계산을 통해 충분한 데 이터베이스를 확보하고 안정성, 활성을 스크리닝 한

그림 5. (a) 고활성·고안정성의 단일원자촉매 스크리닝 연구 모식도, (b) 단일원자금속 배위 환경에 따른 흡착 세기 에너지 프로파일, (c) 생체모방기술(biomimetics)에서의 단일원자 촉매 활용.

히 진행하고 있다. 이러한 연구결과는 산소 환원 반 응(oxygen reduction reaction, ORR), 수소 환원 반응 (hydrogen reduction reaction, HER), 이산화탄소 환원 반응(carbon dioxide reduction reaction, CO2RR) 등의

소재설계 연구실은 2020년 2월 현재 박사후연구원 2 명, 박사과정 학생 9명, 석박통합과정 학생 6명, 학부 연구생 2명과 연구원 1명을 포함하여 총 20명으로 구 성되어 있다.