에너지 저장 물질의 구조와 에너지론에 대한 이론적 연구

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 자연과학대학 물리·천문학부(물리학전공), 2018. 8. 박철환.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. 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. 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. 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. 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.Abstract ................................... i I. Introduction to the hydrogen storage ............... 1 1.1 Chemisorption in metal hydrides ................. 4 1.2 Physisorption in porous materials ................. 9 1.2.1 Carbon materials and metal organic framework . . . . . 9 1.2.2 Potential well ....................... 12 1.3 The organization of the following chapters . . . . . . . . . . . . 16 II. Computational Methods: Density Functional Theory ....... 17 2.1 Basic Theory ........................... 18 2.1.1 Wave function versus density. . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.2 Density as a basic variable ................ 19 2.1.3 Mapping to independent particle system . . . . . . . . . 22 2.2 Projector augmented wave method (pseudopotential) . . . . . . 25 2.3 Local density approximation ................... 28 2.4 Gradient generalized approximation . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5 Meta-generalized gradient approximation, SCAN . . . . . . . . 30 2.6 The exchange-correlation functionals for the van der Waals interaction of hydrogen molecules ................. 32 2.6.1 Dispersion correction D2................. 33 2.6.2 Van der Waals density functional (vdW-DF) . . . . . . . 35 2.6.3 A nonlocal vdW functional by Vydrov and Van Voorhis (VV10) .......................... 37 2.6.4 SCAN + rVV10 ..................... 38 III. The hydrogen storage mechanism of the magnesium amide (Mg(NH2)2/LiH) system ................................. 41 3.1 Introduction............................ 41 3.2 Computational Methods ...................... 42 3.3 Results and Discussion ...................... 43 3.3.1 H2-releasing reaction of Mg(NH2)2 and LiH . . . . . . 43 3.3.2 The effect of KH ..................... 47 3.4 Conclusions............................ 51 IV. Hydrogen storage in intercalated gibbsite ............. 53 4.1 Introduction............................ 53 4.2 Computational Methods ...................... 54 4.3 Results and Discussion ...................... 56 4.3.1 Potential well depth required to store H2 . . . . . . . . . 56 4.3.2 Test of functionals of density functional theory for H2 storage system ...................... 59 4.3.3 The binding of H2 to gibbsite .............. 61 4.3.4 An intercalated cation is in the center of hexagon of gibbsite.......................... 65 4.3.5 The binding of H2 to intercalated gibbsite . . . . . . . . 68 4.3.6 Grand canonical Monte Carlo simulation of the storage capacity.......................... 74 4.4 Conclusions............................ 77 V. Structures and properties of monolayer, adsorbed, and intercalated FeS ............................... 79 5.1 Introduction............................ 79 5.2 Computational Methods ...................... 81 5.3 Results and Discussion ...................... 82 5.3.1 Structure ......................... 82 5.3.2 The electronic band structure of single layer and bulk FeS 83 5.3.3 Adsorption of atoms and molecules on a monolayer FeS 87 5.3.4 The intercalation of NH2 and tetraalkylammonium hydroxides in FeS ...................... 93 5.4 Conclusions............................ 99 VI. Conclusions .............................. 101 Bibliography ................................ 103 Abstract in Korean ............................. 121 Docto

Product model and process model for preliminary structural design

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :건축학과,1998.Docto

N2O decomposition over Fe ZSM5 catalyst

Maste

Fabrication of Micro-nano Structures on Metal Surfaces and Application to Surface Wettability Control

DoctorThis paper describes the study on the surface treatment technology such as fabrication of structure, modification of surface properties of the metal surface, and also describes oleophobic surface using the technology. When a droplet is in contact on the surface of a solid material, the shape of the droplet is determined by the contact force relationship between the air, the droplet, and the solid, and the droplet can be spread out or maintain the shape of a sphere. When the target droplet is water, in particular, a surface that water droplet spreads widely as if being sucked into paper is called a hydrophilic surface, and a surface that does not get wet is called a hydrophobic or water-repellent surface. This hydrophobic surfaces have advantages such as self-cleaning, heat exchange efficient, frosting and defrosting, anti-corrosion, and many researches have been conducted to use in related fields. In the case of some hydrophobic surface, however, the surface cannot push out low-surface tension droplet such as oil and organic solvent, and the surface becomes wet. Eventually, the surface loses its surface properties from the organic solvent on the surface and becomes contaminated. In order to solve this problem, researches about oleophobic surface have been conducted: the oleophobic surface does not get wet for various solutions having a lower surface tension than water by maintaining repulsion properties. This paper describes the technology to realize an oleophobic surface based on aluminum and magnesium alloys. The wettability of the surface is determined by the microstructure and surface energy of the surface, so chemical treatment is applied to the surface of aluminum and magnesium alloy to form a micro-nano hierarchical structure on the surface, and the process of lowering the surface energy using surface coating is also applied. This aluminum alloy treatment technology has the advantage of being able to form much faster than the existing oleophobic fabrication process. In addition, the conventional magnesium alloy surface treatment was mainly conducted by synthesis with other materials to form a microstructure on the surface because of its chemical reactivity, but this paper succeeded in forming a micro-nano hierarchical structure on the surface with etching method using anodization. This new method suggests a new approach to micro-nano structure formation on the magnesium alloy.본 논문에서는 표면 구조 형성 및 금속 표면의 표면 특성 개질 등 표면 처리 기술에 대한 연구 및 이를 활용한 소유성 표면에 관하여 서술한다. 고체 표면에 액적이 접촉하면 물방울의 모양은 공기, 물방울, 고체의 접촉력 관계에 의해 결정되며, 물방울은 퍼지거나 본래의 형상을 유지할 수 있다. 특히 대상 액적이 물인 경우, 물방울이 종이에 빨려 들어간 것처럼 넓게 퍼지는 표면을 친수성 표면이라 하고, 젖지 않는 표면을 소수성 또는 발수성 표면이라고 칭한다. 이 소수성 표면은 자가 세정, 열 교환, 착/제상, 부식 방지와 같은 다양한 강점이 있으며 관련 분야에서 사용하기 위해 많은 연구가 수행되고 있다. 그러나 일부 소수성 표면의 경우, 표면이 기름이나 유기 용매와 같은 표면 장력이 낮은 액적은 밀어 낼 수 없으며, 표면이 해당 용액에 젖게 될 수 있다. 결국, 표면의 유기 용매에 오염되어 표면 특성을 잃게 될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 물보다 표면장력이 낮은 다양한 용액에 반발 특성을 유지할 수 있는 소유성 표면에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 논문은 알루미늄과 마그네슘 합금을 기반으로 소유성 표면을 구현하는 기술에 관하여 서술한다. 표면의 젖음성은 표면의 미세 구조와 표면 에너지에 의해 결정되며, 알루미늄과 마그네슘 합금의 표면에 화학적 처리를 적용하여 표면에 마이크로 나노 계층 구조를 형성하고 표면 에너지를 낮추는 코팅 과정을 적용한다. 알루미늄 합금 표면은 양극산화 공정을 통하여 마이크로미터 수준의 구조를 형성하게 된다. 알루미늄 표면에 양극산화 공정을 적용하게 되면 표면에 수많은 나노 홀이 형성되게 되며, 양극산화가 진행됨에 따라 홀 직경이 증가하며, 홀 사이의 벽이 얇아지게 된다. 결국 벽이 허물어지며 나노파이버가 형성되게 되며 이러한 나노파이버가 뭉쳐지며 마이크로미터 수준의 구조가 형성된다. 이러한 표면에 수산화알루미늄을 형성하여 나노미터 수준의 결정을 마이크로미터 구조 위에 형성한다. 이러한 과정을 통하여 형성된 마이크로-나노 계층 구조에 HDFS 코팅을 통하여 표면에 플루오르기를 다수 형성하고, 이를 통하여 표면 에너지를 낮추어 소유성 표면을 구현한다. 이러한 공정은 타 공정에 비해 간단하며, 공정 시간이 매우 짧다는 강점이 있다. 마그네슘 합금 표면 역시 양극산화 공정을 통하여 마이크로 구조를 형성하게 된다. 마그네슘 합금의 경우, 일반적인 양극산화로는 구조가 형성되지 않기 때문에 전해질을 바꾸어가며 두 단계로 양극산화를 진행하게 된다. 1단계의 양극산화를 통하여 대략적인 구조 형상 및 크랙을 형성하게 되고, 2단계의 양극산화를 통하여 크랙을 확장하고, 이를 통하여 높낮이가 있는 구조를 형성한다. 양극산화를 통하여 형성된 구조 위에 수산화마그네슘 결정을 형성하여 마이크로-나노 계층 구조를 형성하고, 표면 위에 FDTS 코팅을 적용하여 표면에너지를 낮추어 소유성 표면을 구현한다. 이러한 공정은 기존의 마그네슘 표면 처리 공정에서 보여주지 못하였던 식각 기반의 공정으로, 마그네슘 표면 처리에 있어 새로운 접근법을 제시하였다는 점에 의의가 있다