수소 저장 특성 향상을 위한 그라핀 나노구조의 원자단위 제어와 물성에 대한 제일 원리 계산

Abstract

본 연구에서는 밀도범함수 이론을 활용하여 리튬 원자가 분산된 Stone-Wales (SW) 결함을 가진 그라핀 (SW-Gr)의 구조적 안정성과 수소 저장 능력에 대해 알아보았다. SW-Gr은 탄소-탄소 결합의 회전으로 인해 생긴 내부 변형 (strain)을 갖게 되며, 이러한 변형은 리튬 원자를 흡착시킬 때 그라핀에 굴곡이 형성됨으로써 완화가 된다. 이러한 현상은 리튬 원자의 흡착에너지를 증가시키는데 있어서 결정적인 역할을 하며, 결과적으로 리튬 원자가 클러스터링 (clustering) 현상 없이 원자 단위로 배열될 수 있도록 한다. 또한, 리튬 분산된 SW-Gr은 4 개의 수소 분자를 0.20-0.35 eV의 결합에너지 범위에서 흡착시키기 때문에 리튬 분산된 SW-Gr은 대기 조건에서 사용 가능한 수소저장 매체가 될 수 있을 것으로 기대된다. 다음으로 수소 저장 능력을 향상시킬 수 있는 하나의 방법으로 티타늄 분산된 pyridinic N-doped graphene (PNG)에 외부 변형이 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. -5% 에서 5%까지의 변형률 범위에서, PNG 위의 티타늄의 결합에너지는 티타늄 금속 벌크 (bulk)의 응집에너지 (cohesive energy)보다 큰 값을 보이는 것으로 보아 티타늄 원자는 변형률에 무관하게 PNG 위에서 클러스터링 현상 없이 원자 단위로 배열될 것으로 기대된다. 구조적으로 안정적인 티타늄 분산된 PNG 시스템에 대해 외부 변형이 가해짐에 따라 생기는 두 번째와 세 번째 수소 분자의 흡착에너지 변화의 크기는 각각 0.217, 0.254 eV로 크게 관찰되며, 이 변화는 대기 조건에서 수소 분자의 흡•탈착을 위해 요구되는 이상적인 흡착에너지 범위에 포함되므로 변형에 따른 수소 분자의 결합에너지 변화는 다양한 작동조건에서의 수소 연료전지 자동차에 대해 본 시스템이 다양하게 활용될 수 있음을 시사한다. 게다가 압축 변형이 가해질 때는 네 번째 수소를 흡착시킴으로써 수소 저장 용량을 증가시키는데 압축 변형이 이용될 수 있음을 나타낸다. 따라서, 티타늄 분산된 PNG 시스템에 가해진 외부 변형이 수소의 흡•탈착을 조절할 수 있는 효과적인 스위치로써의 역할 뿐만 아니라 수소 저장 용량을 향상시킬 수 있는 대안이 될 수 있는 가능성을 확인 할 수 있었다. |Li dispersed graphene with Stone-Wales (SW) defects was investigated for geometric stability and hydrogen storage capability using density functional theory (DFT) calculations. When the graphene with SW defects, which has the internal strain derived from rotated C-C bond, adsorbs Li adatoms, the strain is relieved by generating the buckling of graphene. This effect plays a crucial role in enhancing the binding energy (Eb) of Li adatoms, consequently allowing the atomic dispersion of Li adatoms on the graphene without clustering. The Li dispersed graphene with SW defects can accommodate four H2 molecules with the range of 0.20-0.35 eV. This falls in a desirable range for feasible applications under ambient conditions. It is therefore anticipated that Li dispersed graphene with SW defects may be an ideal hydrogen storage media due to its geometric stability and high hydrogen storage capacity. Furthermore, Strain-engineered adsorption of Ti on pyridinic nitrogen-doped graphene (PNG) and the hydrogen storage characteristics of Ti-decorated PNG are also examined by using DFT. Under the strain from -5% to 5%, binding energy (Eb) of Ti on PNG was higher than cohesive energy of the Ti bulk. Thus, it is expected that Ti atoms prefer atomic dispersion in PNG to clustering in the applied strain range. For this Ti-PNG system, the Eb variation of the second and third adsorbed H2 molecule according to the strain was a large value of 0.217 and 0.254 eV, respectively. Therefore, strain-engineered Ti-decorated PNG is adaptable to diverse operation conditions of hydrogen storage systems for mobile applications. In addition, by applying compressive strain, this system can adsorb the fourth H2 molecule, suggesting that the compressive strain can be used to improve hydrogen storage capacity. Thus, it can be expected that strain-engineered Ti-decorated PNG can be considered to be a promising potential hydrogen storage medium.; Li dispersed graphene with Stone-Wales (SW) defects was investigated for geometric stability and hydrogen storage capability using density functional theory (DFT) calculations. When the graphene with SW defects, which has the internal strain derived from rotated C-C bond, adsorbs Li adatoms, the strain is relieved by generating the buckling of graphene. This effect plays a crucial role in enhancing the binding energy (Eb) of Li adatoms, consequently allowing the atomic dispersion of Li adatoms on the graphene without clustering. The Li dispersed graphene with SW defects can accommodate four H2 molecules with the range of 0.20-0.35 eV. This falls in a desirable range for feasible applications under ambient conditions. It is therefore anticipated that Li dispersed graphene with SW defects may be an ideal hydrogen storage media due to its geometric stability and high hydrogen storage capacity. Furthermore, Strain-engineered adsorption of Ti on pyridinic nitrogen-doped graphene (PNG) and the hydrogen storage characteristics of Ti-decorated PNG are also examined by using DFT. Under the strain from -5% to 5%, binding energy (Eb) of Ti on PNG was higher than cohesive energy of the Ti bulk. Thus, it is expected that Ti atoms prefer atomic dispersion in PNG to clustering in the applied strain range. For this Ti-PNG system, the Eb variation of the second and third adsorbed H2 molecule according to the strain was a large value of 0.217 and 0.254 eV, respectively. Therefore, strain-engineered Ti-decorated PNG is adaptable to diverse operation conditions of hydrogen storage systems for mobile applications. In addition, by applying compressive strain, this system can adsorb the fourth H2 molecule, suggesting that the compressive strain can be used to improve hydrogen storage capacity. Thus, it can be expected that strain-engineered Ti-decorated PNG can be considered to be a promising potential hydrogen storage medium.