| 초록 |
수소연료전지 시스템은 환경오염 물질의 배출 없이 전기에너지로 전환할 수 있다는 큰 장점이 있다. 현재 수소연료전지 시스템의 cathode에서는 산소환원(ORR) 반응 촉매로 백금이 주로 사용되고 있다. 하지만 안정성 및 고비용 문제로 이에 대한 대체 촉매 연구가 다각도로 수행되고 있으며, 후보군으로 TM-N4 형태의 촉매가 널리 연구되고 있다. 본 연구에서는 일반적으로 2전자 ORR 반응이 일어나는 Co-N4 형태의 촉매가, axial 방향으로 다양한 유기 화학종들과 상호작용함으로써 4전자 ORR 반응이 진행될 수 있음을 제일원리 밀도범함수(DFT) 시뮬레이션을 통해 규명하였다. 합성과정에서 동반될 수 있는 Cobalt 나노입자들은 Co-N4 활성점과 상호작용하는 경우, 반대로 활성을 낮추는 효과를 갖게 되며, 이는 axial 방향으로 전자구조적인 상호작용에 의해 electronic push effect가 작용하여 활성점의 반응 특성을 크게 변화시키기 때문이다. Cobalt 나노입자와의 상호작용은 Co 활성점에 spin moment를 상쇄시켜 활성점의 전반적인 oxophilicity를 약화시켰고, 유기 화학종들과의 상호작용에 의해서는 push effect에 의한 Co 활성점의 dz2 spin localization 효과로 *OOH를 비롯한 전반적인 oxophilicity 강화에 의해 4전자 ORR이 진행될 수 있었다. 본 연구 결과는 TM-N4 촉매 시스템에서 axial-ligand 상호작용 설계가 추가적인 활성 향상에 매우 중요하다는 것을 의미한다. |
