In this dissertation, we studied the surface chemistry of nanomaterial in energy conversion by performing the first-principles density functional theory simulation. The surface properties of the colloidal quantum dot which is the 3rd generation photovoltaic material have to be understood for the better efficiency of solar cells. The tetrapod-shaped InP nanocrystals consist of four arms covered with stable (110) surfaces along the (1 ̅1 ̅1 ̅) direction. By co-passivation of halide and amine ligands, the (111) surfaces are strongly stabilized and the tetrahedron-shaped InP nanocrystals are produced. By ligand coordination, the (111) surfaces of InAs NCs show the largest shift of the energy level compared to other facets because the ligands bind to the surface vertically. Among various ligands, chlorine atomic ligand capped (111) surfaces of InAs have the deepest energy level thanks to their high induced dipole moment. The difference between cubic and rhombohedral structures of AgSbS2 semiconductors is explored to further analyze the surface properties of AgSbS2 colloidal quantum dots. The fundamental physical properties of Ⅰ-Ⅴ-Ⅵ2 ternary semiconductors are systematically studied and suggest a promising candidate for solar cells.
Also, the catalytic reaction in fuel cells or metal-air batteries occurs at the surface of the catalyst. Understanding the surface configuration has to be precedented for improving the stability and catalytic activity of the catalyst. The Co(II)(salen) molecules coordinated to the edge pyridinic N site of carbon materials show stability with a larger metal binding energy than cohesive energy and superior catalytic activity of oxygen reduction reaction. As the amount of N atoms increases, the binding energy of Ni atoms in Ni@Ni-NC increases and is larger than cohesive energy. The Ni/CxN4 shows better activity for oxygen evolution reaction than the hcp Ni (111) surface indicating the critical role of the shell in Ni@Ni-NC.
본 학위논문에서는 제일원리 양자계산을 이용하여 에너지 변환 나노물질의 표면 화학에 대해 연구한다. 3세대 태양전지 소재인 콜로이드 양자점의 표면 특성은 태양전지의 효율을 향상시키기 위해 이해해야 한다. 테트라포드 모양의 인듐포스파이드 나노결정은 안정한 (110) 표면으로 둘러 쌓여 (1 ̅1 ̅1 ̅) 방향으로 성장하는 네 개의 팔을 가지고 있다. 할라이드와 아민의 코패시베이션에 의해 (111) 표면이 매우 안정화되고 테트라헤드론 모양의 나노결정이 형성된다. 리간드가 (111) 표면에 수직으로 결합하므로, 리간드 결합에 의해 인듐아세나이드 나노결정의 (111) 표면이 다른 표면에 비해 더 큰 에너지 준위의 변화를 보였다. 여러가지 리간드 중, 염소 원자 리간드가 붙은 인듐아세나이드 나노결정의 (111) 표면이 리간드와 표면 사이의 강하게 유도된 쌍극자 모멘트로 인해 가장 깊은 에너지 준위를 가졌다. 실버안티모니설파이드 반도체의 입방체와 능면체 구조의 차이를 이해하여 실버안티모니설파이드 나노결정의 표면 특성에 대해 분석했다. 1-5-6족 삼원 반도체의 기초적인 물성에 대해 체계적으로 연구했으며 태양전지에 활용되기 적합한 후보군을 제안했다.
또한, 연료 전지 또는 금속-공기 배터리의 촉매 반응은 촉매의 표면에서 발생한다. 촉매의 안정성 및 효율을 향상시키기 위해서는 촉매 표면 구조에 대한 이해가 선행되어야 한다. 코발트 살렌 분자가 탄소 물질의 모서리에 있는 질소 위치에 결합하여 코발트 금속 응집 에너지보다 큰 결합 에너지를 가져 안정적이고 산소 환원 반응에서 우수한 촉매 효율을 가짐을 보였다. 질소의 양이 커짐에 따라, 니켈이 포함된 질소 치환 탄소 물질에 니켈 원자의 결합에너지가 커졌고 응집 에너지보다 커져 초기 니켈 금속 중심 입자가 생성됨을 이해하였다. 중심과 껍질의 산소 발생 반응 효율을 비교하여 껍질이 중요한 역할을 함을 확인하였다.
