다중스케일 모델링

오랫동안 에너지 변환 반응의 촉매로는 평평한 결정성 전극이 주로 사용되어 왔습니다. 이런 계는 구조가 단순하여 DFT 시뮬레이션으로 전기촉매 활성의 결합 에너지 기술자를 밝혀내고 효율적인 촉매 스크리닝 방법을 개발할 수 있었습니다. 그러나 2차원에서 전극을 설계하는 데에는 본질적인 한계가 있어, 3차원 구조 전극을 사용하려는 흐름이 생겨났습니다. 특히 오늘날 다공성 전극을 사용하면 활성 자리의 배열, 변형(strain), 주변 환경, 부피 밀도를 선택적으로 설계하여 값비싼 촉매의 질량 대비 활성을 극대화할 수 있습니다. 이에 따라 다공성 전극은 ORR, HER, OER 등 많은 전기화학 반응에서 최신 기술로 자리 잡았습니다. 특히 CO₂ 및 CO 환원에서 강한 효과가 확인되었는데, 구리에서는 탄소가 두 개 이상인 유용한 C₂₊ 생성물(탄화수소 및 알코올)의 생성이, 금과 은에서는 CO 생성이 크게 향상되었습니다. 이러한 효과는 다양한 에너지 변환 공정에서 중요하지만, 계 자체의 물리적 복잡성 때문에 상세한 이해와 전략적인 다공성 전극 설계는 아직 크게 제한되어 있습니다. 한국연구재단(NRF)의 지원을 받는 이 과제의 목표는 나노구조 전극에서의 전기화학적 에너지 변환을 모델링하는 최첨단 다중스케일 프레임워크를 개발하는 것입니다. 궁극적으로는 물질 전달과 반응 속도론을 함께 고려한 일반적인 설계 원리를 도출할 수 있을 것으로 기대합니다.