■ 본 연구는 높은 잠재성을 가지는 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC: Proton Ceramic Fuel Cell)의 상용화에 필요한 원천기술 확보를 목표로 하고 있다. 구체적으로 PCFC 핵심 구성요소의 효율성과 내구성을 최적화하는 것을 최종 목표로 하며, 이를 위해 설정한 주요 내용은 다음과 같다.(1) H2S 및 CO 고내구성 연료극(anode) 물질...

- 울산 전·후방주력산업(화학/자동차 모빌리티) 및 미래전략산업(수소산업)의 발전을 위해 환경 친화적이고 경제적인 수소 공급을 원할하게 하는 저가의 소형 온사이트(on-site) 수소 충전소는 수소 모빌리티 산업의 핵심 요소이며, 수소 충전소의 개질반응시스템(수소생산)-수전해시스템(수소생산)-수소충전시스템(수소저장)은 수소 산업의 핵심 시스템임. - 수소 충전소의 안정적이고 경제적인 수소 공급을 위해서는 가격경쟁력 있는 고효율 에너지 저감형 수소생산 개질반응 시스템 개발이 필요하며 이를 위해 저가형 니켈 촉매 시스템에서 조촉매 첨가 및 금속-담체 상호작용을 활용하여 산화반응 및 저온 개질반응 활성점 극대화, DFT 모사를 통하여 조촉매 첨가 및 금속-담체 상호작용에 의한 촉매 결정 구조 변환과 개질반응 활성점 변화를 예측하고 최적 저온 개질반응용 촉매 활성점 설계할 계획임. - 중/장기적으로는 가격경쟁력이 높은 고분자전해질 수전해수소생산시스템의 개발이 필요하며, 이를 위해 촉매재료와 산소 간의 화학적 흡착 에너지를 고려하여 낮은 과전압을 갖는 최적 전이금속촉매/조촉매 재료선정, nanoporous형 촉매구조등의 도입을 통한 촉매 활성점 최대화, 고표면적/고전도성 탄소나노재료, Carbide계 담체 도입을 통한 고내구성 촉매 개발등을 진행할 예정임 - 이와 함께 고성능·저비용의 액상수소저장소재(LOHC) 및 탈수소화용 재료 및 촉매의 개발이 필요하며, 본 연구실은 울산 석유화학·정유 공장에서 생산되는 화합물 및 부산물을 중심으로 DFT 모사 연구를 진행하고자 함. 이를 통해 고성능 LOHC 소재와 LOHC의 탈수소화용 고성능 촉매를 합성하며, 지역 촉매 생산기업과의 협업을 통한 비귀금속 기반 LOHC 탈수소화용 촉매 개발할 계획임.

- 울산 전·후방주력산업(화학/자동차 모빌리티) 및 미래전략산업(수소산업)의 발전을 위해 환경 친화적이고 경제적인 수소 공급을 원할하게 하는 저가의 소형 온사이트(on-site) 수소 충전소는 수소 모빌리티 산업의 핵심 요소이며, 수소 충전소의 개질반응시스템(수소생산)-수전해시스템(수소생산)-수소충전시스템(수소저장)은 수소 산업의 핵심 시스템임. - 수소 충전소의 안정적이고 경제적인 수소 공급을 위해서는 가격경쟁력 있는 고효율 에너지 저감형 수소생산 개질반응 시스템 개발이 필요하며 이를 위해 저가형 니켈 촉매 시스템에서 조촉매 첨가 및 금속-담체 상호작용을 활용하여 산화반응 및 저온 개질반응 활성점 극대화, DFT 모사를 통하여 조촉매 첨가 및 금속-담체 상호작용에 의한 촉매 결정 구조 변환과 개질반응 활성점 변화를 예측하고 최적 저온 개질반응용 촉매 활성점 설계할 계획임. - 중/장기적으로는 가격경쟁력이 높은 고분자전해질 수전해수소생산시스템의 개발이 필요하며, 이를 위해 촉매재료와 산소 간의 화학적 흡착 에너지를 고려하여 낮은 과전압을 갖는 최적 전이금속촉매/조촉매 재료선정, nanoporous형 촉매구조등의 도입을 통한 촉매 활성점 최대화, 고표면적/고전도성 탄소나노재료, Carbide계 담체 도입을 통한 고내구성 촉매 개발등을 진행할 예정임 - 이와 함께 고성능·저비용의 액상수소저장소재(LOHC) 및 탈수소화용 재료 및 촉매의 개발이 필요하며, 본 연구실은 울산 석유화학·정유 공장에서 생산되는 화합물 및 부산물을 중심으로 DFT 모사 연구를 진행하고자 함. 이를 통해 고성능 LOHC 소재와 LOHC의 탈수소화용 고성능 촉매를 합성하며, 지역 촉매 생산기업과의 협업을 통한 비귀금속 기반 LOHC 탈수소화용 촉매 개발할 계획임.

■ 본 연구진은 대기오염 문제의 심각성을 인지하여, NO2, SO2 흡착·저장·전환 소재 탐색에 집중해보고자 함. 본 연구는 총 3년도에 걸쳐 진행하고자 함. ■ 1차년도에는 ICSD ∙ DDEC 기반 고성능 NO2 · SO2 흡착 물질 개발에 집중해보고자 함. 무기결정구조데이터베이스(ICSD)를 활용하여 실험적으로 존재하는 금속산화물 시스템에 대해 대규모 DFT 계산을 활용하여 NO2 와 SO2의 금속산화물 및 고용체(solid-solution)에서의 흡착에너지 계산을 진행하고자 함. 도펀트(dopant) · 공극(vacancy)과 같은 화학적인 효과 및 압력 · 스트레인과 같은 구조적인 효과에 따른 NO2·SO2의 흡착강도에 있어서의 변화를 분석하고자 함. 탈착이 가능한 범위 내의 고성능 흡착 후보물질에 대해서는 NO2 · SO2 흡착세기 변화의 원인에 대한 보다 깊고 자세한 이해를 위해 Density Derived Electrostatic and Chemical (DDEC) 방법을 활용하여 전하밀도분포(charge density distribution) 분석을 체계적으로 진행하고자 함. NO2 · SO2의 흡착강도에 대한 이해는 NO2 · SO2의 저장 및 전환 능력을 예측함에 있어 중요한 정보를 제공할 수 있음. 1차년도에서 얻은 결과에 기초하여, 2, 3 차년도에는 각각 저장 물질 개발 및 전환물질 탐색에 집중해보고자 함. ■ 2차년도에는 PHONON FREQUENCIES 기반 고성능 NO2 · SO2 저장 물질 개발에 집중해보고자 함. 1차년도 연구로부터 확보된 DFT 기반 금속산화물의 NO2 · SO2 고체상(solid phase)의 격자구조 및 에너지 값에 대한 데이터에 기초하여 금속산화물과 NO2 · SO2의 반응 중 열역학적으로 가장 안정하면서, 반응의 가역성(reversibility)이 만족되는 새로운 반응 메커니즘을 도출하고자 함. 이로부터 NO2 · SO2 저장에 유리한 금속산화물 소재 및 반응 등을 탐색하고자 함. 포논상태밀도(Phonon Density of States) 계산을 통해 금속산화물과 NO2 · SO2의 열역학적 반응에서의 자유에너지 변화(ΔG)를 보다 정확하게 분석함으로써 유해가스 저장에 유리한 금속산화물을 합리적으로 개발하고자 함. NO2 저장성능의 경우, 2MO + 2NO2 ↔ M2N2O6 와 같은 반응이 존재한다고 할 때, 본 반응에서의 열역학적 자유에너지 변화(ΔG) 계산을 통해 분석을 진행할 것이며, SO2 저장성능의 경우, ① MO + SO2 ↔ MSO3 ② M2O + SO2 ↔ M2SO3 ③ MO2 + SO2 ↔ MSO4 와 같은 반응이 존재한다고 할 때, 본 반응에서의 열역학적 자유에너지 변화(ΔG) 계산을 통해 분석을 진행하고자 함. 금속산화물과 NO2 · SO2 와의 열역학적 반응(thermodynamic reaction)에서의 자유에너지변화값이 0이 (Delta_G = 0) 되는 온도를 T*라 할 때, 높은 T*를 가지는 금속산화물일수록 보다 높은 온도까지 열역학적 반응이 자발적으로(spontaneously) 일어나 염을 생성하게 됨으로써 NO2 · SO2를 저장할 수 있게 됨. ■ 3차년도에는 고성능 NO2·SO2 전환 물질·메커니즘 탐색에 집중해보고자 함. 1차년도, 2차년도 연구로부터 선별되어진 금속산화물 시스템(지지체)에서 NO2 · SO2를 전환시킬 수 있는 고성능의 비귀금속 단일원자 촉매를 탐색하고자 함. 비귀금속 촉매에 의한 전환 반응에서의 속도결정단계 탐색 및 에너지장벽을 비교함으로써, 촉매별 전환 성능을 분석해보고자 함. 이로부터 고성능의 비귀금속 기반 전환물질을 제시해보고자 함. 나아가 담지 촉매 및 지지체의 특성 간 상관관계를 분석하고자 함.