Recently, as renewable energy systems have been in the spotlight as alternatives to fossil fuels, research on the development of energy storage and conversion devices based on electrochemistry has been actively conducted. The electrochemical reaction at complex interfaces is not only difficult to understand the mechanism, but also an underlying concept, a structure of the electrical double layer, has not been clearly identified. Therefore, in order to build a renewable energy-based society, a deep understanding of electrochemistry must precede. To this end, this research deals with the development of mean-field QM/MM methodology that could simulate an electrochemical interface at an atomic scale and its application to various problems. First, the DFT-CES, one of the mean-field QM/MM methods, was modified to solve the problems when each QM and MM region are not electrically neutral so it can be applied to study the electrochemical systems. Next, the electrical double layer structure, one of the long-standing problems, was elucidated at the atomic scale. Lastly, a mechanism of electrochemical CO$_2$ reduction to CO was established and the origin of the cation-dependent reaction activity was revealed.
최근 화석 연료의 대체재로서 신재생 에너지 시스템이 각광받으면서 전기화학을 기반으로 한 에너지 저장 및 전환 장치의 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 복잡한 계면에서 이루어지는 전기화학 반응은 그 메커니즘을 파악하기 어려울 뿐만 아니라, 기초적인 개념인 전기 이중층 역시나 그 구조는 명확하게 밝혀지지 않았다. 따라서 신재생 에너지 기반의 사회를 구축하기 위해서는 전기화학에 대한 깊은 이해가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 이를 위해 원자 수준에서 전기화학 계면을 시뮬레이션 할 수 있는 평균장 QM/MM 방법론을 개발하고, 이를 활용하여 전기화학 계면에서의 다양한 문제들을 원자 수준에서 연구하였다. 먼저, 기존에 개발된 평균장 QM/MM 방법론인 DFT-CES 방법론이 각 QM 및 MM 영역이 전기적 중성이 아닐 때 적용할 수 없는 점을 해결하여 전기화학 시스템에 적용할 수 있도록 하였다. 다음으로, 오랜 난제인 전기 이중층 구조를 원자 수준에서 밝히는 연구를 진행하였다. 마지막으로, 전기 이중층에 대한 이해를 바탕으로 전기화학 계면에서 이산화탄소가 일산화탄소로 환원되는 반응의 메커니즘을 규명하고 전해질의 양이온이 바뀌었을 때 반응 활성도가 달라지는 원인을 밝혔다.
