세륨 산화물 기반 태양열 열화학적 문분해의 효율화를 위한 계산과학 모델링 연구 동향

초록

태양 집열 에너지를 사용하여 물분해를 통해 수소를 생산하는 열화학적 수분해 사이클의 효율을 개선하기 위한 계산 과학 분야의 연구 동향을 소개하였다. 태양열을 이용한 물분해를 위해서 세륨 산화물 기반의 촉매가 사용되며 공정상 발생하는 수소의 수득율은 태양열에 의해 가열되는 온도에 크게 의존적이며 촉매 재료에 따라 최적의 열 환원 그리고 물 분해공정 온도가 변하게 된다. 촉매의 구성을 변화시킴을 통해 전체 사이클의 최대효율 온도를 낮추고, 산화-환원 공정 간의 온도 편차를 줄인다면 보다 적은 에너지로 수소를 생산할 수 있게 된다. 양이온의 도핑이 증가함에 따라 세륨 산화물 결정의 격자 구조가 변형되고 결정 내부의 전자 밴드 구조 및 밴드갭을 변화시켜 산소 이온의 이동도의 조절에 기여한다. 하지만 도핑 양이 과도하면 상변태와 결정 구조의 기계적 결함이 발생되기 쉬워져 반복되는 열 사이클에 대한 내구도가 감소하며 촉매의 제작에 있어서는 균일상을 유지하기 어려워진다. 양이온 혼합으로 인한 표면 부반응 및 구조적 불안정성을 동반한 균열 전파에 의한 영향을 최소화하면서도 산소 이온 이동도를 높이기 위한 결정 구조 탐색에 대한 다양한 계산 과학 연구가 이루어지고 있다. DFT계산을 통한 마이크로 스케일의 제일원리 모델에서부터 매크로 스케일의 상분리 모델에 이르기까지 멀티스케일적 접근방식의 계산과학 모델링 분야의 연구 동향을 소개한다.