Theoretical Study on the Structure and Energetics of Energy Storage Materials

Abstract

만일 수소를 에너지 전달자(carrier)로 사용할 수 있다면 차량에서 사용하는 화석연료에 의한 오염이 의미있게 감소할 수 있다. 수소 저장은 이 수소 에너지의 상용화 응용을 위한 중대한 연구주제이다. 현재 수소는 700기압의 고압용기에 저장되고 있어 이는 잠재적인 위험을 내포하고 있다. <br/> 첫째로, 화학결합을 사용한 마그네슘 아미드(Mg(NH2)2) 내의 수소 저장을 연구하였다. 이는 고압용기를 대체할 수 있는 안전한 방법인데, 그 연유는 강한 화학결합이 수소기체를 고체 안에 안정화시키기 때문이다. 마그네슘 아미드와 리튬 수소화물(LiH)은 볼로 분쇄되면 (ball milling) 수소를 발생한다. KH가 이 시스템에 삽입되면 높은 수소 방출 온도가 감소하는 것으로 알려져 있다. 실제적인 응용을 위해서는, 이 온도는 더 감소하여야 하며, 이 목적을 위해서 이 반응의 기초적인 이해가 요구된다. 수소가 이 시스템의 원자들과 하는 상호작용과 이 반응에 대한 KH의 영향은 아직 분자 수준에서 연구되지 않았다. 여기서, 우리는 Mg(NH2)2와 LiH 가 기체상태에서 반응하면 H2가 방출되는 반응의 기작에 대한 설명을 목표로 하고자 한다. 여기에 우리는 제일원리를 사용하여 밀도 범함수 이론으로 전자구조와 총에너지 계산을 이용하였다. 우리는 또한 KH가 그 반응에 영향을 주는 기작을 연구하였다.<br/> 둘째로, 우리는 층상물질의 포텐셜 우물 안의 수소저장을 제안한다. 이는 화학결합으로 이루어진 시스템의 높은 반응온도와 늦은 반응속도를 보완하기 위함이다. 이 시스템에 H2를 충전과 방전하는 것은 느린데, 그 이유는 H2의 강한 화학결합이 끊어지고, 다시 형성되어야 하기 때문이다. 층상 물질은 이 시스템들보다 나은데, 물리흡착에 의해 상대적으로 약한 상호작용이 H2의 탈착과 흡착 속도를 증가시키기 때문이다. 두가지 층상 물질의 후보는 층간삽입된 깁사이트(gibbsite)와 층간삽입된 FeS이다.<br/> 층간삽입된 깁사이트의 수소저장 기작이 연구되었다. 구체적으로, NiSO4가 층간삽입된 깁사이트와 Ni(COO)2가 층간삽입된 깁사이트가 연구되었다. 우리는 H2 분자의 이 시스템에 대한 결합에너지를 계산하였다. 물리흡착의 강도는 H2를 저압, 상온에서 높은 반응속도로 저장하는데 유리하였다. 우리는 상온에서의 저장량을 그랜드 캐노니칼 몬테 카를로 모사(grand canonical Monte Carlo simulation)을 사용하여 추정하였다.<br/> 또한, 다른 층상 물질 후보인 FeS의 전자구조, 흡착과 층간삽입에 대해 연구되었다. 이 물질은 높은 표면적을 가지고 있고, 금속성이기 때문에 이 물질은 초고용량 축전기(supercapacitor)로도 유용할 수 있다. 층간 삽입되는 분자의 크기가 NH3에서 수산화 테트라알킬암모늄 (tetraalkylammonium hydroxides) (수산화 테트라에틸암모늄 (tetraethylammonium hydroxide)과 수산화 테트라부틸암모늄 (tetrabutylammonium hydroxide))로 증가하자 층간거리가 증가하였다. 층간 거리의 조정은 이 물질을 수소저장물질이나 초고용량축전기 전극으로 사용하기 위해 최적화하는데 유용할 것이다. 전하 이동과 층간삽입 에너지가 계산되었다. 또한, 이 물질에 대한 기초적인 연구로, FeS 단일층과 덩어리(bulk)의 전자구조가 비교되었다. 실험 조건에서 흔히 존재하는 원자와 분자의 흡착도 연구되었는데, 이는 추후 실험에 대한 참고자료가 될 것이다.