KCI등재
백금 기반 나노클러스터를 활용한 재생가능한 수소에너지 생산 향상 연구 = Enhanced Reaction of Renewable Hydrogen Energy Production Using Platinum-based Nanoclusters
Objectives:It would be essential for solving the global warming problem to use renewable energy as well as increase the efficiency of energy production. One of the renewable and efficient energy sources is hydrogen energy, and the electrochemical hydrogen evolution reaction (HER) is the most important reaction in the hydrogen energy production. For HER, inexpensive catalyst development is indispensible because the precious metal Pt is being used as the most efficient catalyst for HER.
Methods:Density functional theory (DFT) calculations were performed using the Vienna ab initio simulation package (VASP) to calculate atomic and electronic structures and total energies using the projector-augmented wave (PAW) method.
Results and Discussion:The HER efficiencies of Pt(111), Pt nanoclusters, and Pt-based core-shell nanoclusters were examined based on the hydrogen adsorption energies (Eads) by using the density functional theory (DFT) calculations. The DFT results demonstrate that Pt nanoclusters (0.5 ~ 2.1 nm in diameter) showed stronger hydrogen adsorption (Eads = -0.65 ~ -1.25 eV) than that of Pt(111) (Eads = -0.61 eV), implying a lower HER efficiency of Pt nanoclusters than Pt(111). On the other hand, a Rucore-Ptshell nanocluster (Eads = -0.48 eV) showed weaker hydrogen adsorption than Pt(111), indicating an increase in the HER efficiency. The weaker hydrogen adsorption on Rucore-Ptshell was attributed to the d-band shift of Pt atoms further away from the Fermi level in negative direction due to the core Ru atoms.
Conclusion:By evaluating the HER efficiency using a descriptor of the hydrogen atom adsorption strength, a Ru-Pt core-shell (Rucore-Ptshell) nanocluster was expected to exhibit the highest HER efficiency among Pt(111), Pt55 nanocluster, and Mcore-Ptshell (M = Ni, Co, Mn, Cu, Ru, Ir and Au) nanoclusters.
목적:지구온난화 현상을 해결하기 위해서는 다양한 화석에너지 저감 노력과 함께 적극적인 재생에너지 활용과 효율 증대 및 수소에너지 사회화로의 필요성이 대두되고 있다. 효율적인 전기화학적 수소발생반응(hydrogen evolution reaction, HER)은 수소에너지 사회화에서 해결해야 할 중요한 에너지 화학반응 중의 하나인데, 특히 귀금속 백금(Pt)이 가장 효율 높은 촉매로 사용되기 때문에 이를 대체할 저렴한 촉매 개발이 필수 요소이다. 본 연구에서는 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 계산을 통하여 Pt(111) 및 Pt 기반의 나노클러스터와 코어-쉘 나노클러스터(nanocluster)들에 있어서 수소 원자 흡착에너지(Eads)를 계산하여 비교 분석함으로써 HER 효율을 비교 예측하였다.
방법:Vienna ab initio simulation package (VASP)를 이용한 projector-augmented wave (PAW) 방법으로써 원자 및 전자 구조와 DFT 에너지를 계산하였다.
결과 및 토의:Pt로만 이루어진 0.5 ~ 2.1 nm 크기의 나노클러스터(Eads = -0.65 ~ -1.25 eV)는 Pt(111)(Eads = -0.61 eV)에 비하여 강한 수소 원자 흡착을 나타내어 HER 효율이 감소될 것으로 평가되었다. 반면, Ru 코어와 Pt 쉘을 가진 코어-쉘 나노클러스터(Rucore-Ptshell, Eads = -0.48 eV)의 경우 약 -0.13 eV 정도 약한 수소 원자 흡착강도를 나타내어 HER 효율이 증가할 것으로 예측되었다. 이는 코어-쉘 나노클러스터의 코어로서 Ru를 사용함으로써 쉘 Pt 표면의 전자구조가 보다 안정된 형태로 변화되어 d-band center가 페르미 레벨(Fermi level)로부터 음수 방향으로 멀어지게 되어 약한 수소 원자 흡착을 야기한 것으로 평가되었다.
결론:HER 효율을 간략하게 평가하는 지표(descriptor)로서 수소 원자 흡착 강도 정보를 활용하여 Pt(111), Pt55 나노클러스터 그리고 Mcore-Ptshell (M = Ni, Co, Mn, Cu, Ru, Ir 및 Au) 나노클러스터 촉매의 HER 효율을 예측한 결과, Rucore-Ptshell 나노클러스터가 가장 높은 HER 효율을 나타낼 것으로 예측되었다.
분석정보
연월일 | 이력구분 | 이력상세 | 등재구분 |
---|---|---|---|
2027 | 평가예정 | 재인증평가 신청대상 (재인증) | |
2021-01-01 | 평가 | 등재학술지 유지 (재인증) | KCI등재 |
2018-01-01 | 평가 | 등재학술지 선정 (계속평가) | KCI등재 |
2017-12-01 | 평가 | 등재후보로 하락 (계속평가) | KCI후보 |
2013-01-01 | 평가 | 등재 1차 FAIL (등재유지) | KCI등재 |
2010-01-01 | 평가 | 등재학술지 유지 (등재유지) | KCI등재 |
2008-01-01 | 평가 | 등재학술지 유지 (등재유지) | KCI등재 |
2006-01-01 | 평가 | 등재학술지 유지 (등재유지) | KCI등재 |
2004-01-01 | 평가 | 등재학술지 유지 (등재유지) | KCI등재 |
2001-01-01 | 평가 | 등재학술지 선정 (등재후보2차) | KCI등재 |
1998-07-01 | 평가 | 등재후보학술지 선정 (신규평가) | KCI후보 |
기준연도 | WOS-KCI 통합IF(2년) | KCIF(2년) | KCIF(3년) |
---|---|---|---|
2016 | 0.52 | 0.52 | 0.45 |
KCIF(4년) | KCIF(5년) | 중심성지수(3년) | 즉시성지수 |
0.43 | 0.42 | 0.604 | 0.13 |
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