수소 저장 매체로서 리튬 원자가 분산된 질소 도핑 그라핀의 전자/구조적 특성에 대한 제일 원리 계산

Abstract

본 연구에서는 밀도범함수 이론을 통해 리튬이 분산된 질소 도핑 그라핀 (N-doped graphene, N-Gr)의 수소 저장 재료로서의 활용가능성에 대해 알아보았다. 실험적으로 합성 가능한 세 가지 N-Gr 구조에 대해 리튬을 분산시켜보고 전체 시스템의 수소 흡착 거동을 살펴봄으로써 각 재료가 갖는 구조적인 안정성과 수소 저장 능력을 관찰하였다. 먼저, pyridinic N-Gr과 pyrrolic N-Gr 표면 위에서는 리튬이 클러스터링 (clustering) 현상 없이 원자 단위로 배열될 수 있음을 확인하였다. 또한 이 두 구조는 리튬 원자 1 개 당 수소 분자를 최대 3개까지 흡착시키며, 0.12 – 0.20 eV/H2 범위 내의 결합에너지를 보이기 때문에 대기 조건에서 사용 가능한 수소저장 매체가 될 수 있을 것으로 기대된다. 뿐만 아니라, 위 재료의 수소 저장 능력을 향상시키기 위한 방법으로 외부적인 전기장의 도입을 제안하였다. 실제로 표면 위에서 리튬의 클러스터링 현상이 예상되던 그라핀과 graphitic N-Gr 구조에서도 양의 방향의 전기장 하에서는 구조적인 안정성을 보이는 것을 확인하였고, 리튬이 분산된 pyridinic N-Gr과 pyrrolic N-Gr 구조에 대해 외부 전기장을 활용하여 0.14 – 0.27 eV 범위에 이르기까지 수소 흡착 특성을 변화시킬 수 있을 것으로 예상되었다. 이는 전기장의 방향과 세기를 달리 함으로써 수소의 흡•탈착 과정을 자유롭게 조절할 수 있음을 기대하게 한다.