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Theoretical study on chemical reactions of graphene-based materials with dopants and defects = 불순물 및 결함을 가지는 그래핀 기반 물질의 화학 반응에 대한 이론 연구
서명 / 저자 Theoretical study on chemical reactions of graphene-based materials with dopants and defects = 불순물 및 결함을 가지는 그래핀 기반 물질의 화학 반응에 대한 이론 연구 / Kim, Na-Young.
저자명 Kim, Na-Young ; 김나영
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2018].
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초록정보

In this thesis, based on the first-principles density functional theory simulation, we analyze the properties of graphene-based materials with dopants and defects and understand chemical reactions such as gas adsorption, desorption and electrochemical catalysis. Understanding and controlling atomic dopants and defects are significant because they can affect to the material properties and act as a catalytic active site. Herein, we focus on nitrogen dopants and divacancy defects in graphene-based materials. It was confirmed that the divacancy defects in graphene, which can have various configurations depending on the nitrogen content, have different favorable atoms to bind. Especially, group Ⅳ elements easily formed divacancy defect complexes in nitrogen-poor environment, while, in nitrogen-rich condition, divalent transition metals can bind with double vacancy defects easily. Their electronic structure and catalytic activity vary sensitively depending on nitrogen content, and Ni and Cu defects can be replaced to Fe or Co defects known as a good catalyst by electrochemical cation exchange reaction. In addition, NH3 adsorption energy was examined to compare the catalytic activity of divacancy defects containing transition metal single atoms and dimers. The early transition metals show better stability and catalytic activity than the late transition metals. Early transition metal embedded divacancy defects with a buckled atomic structure are expected to have superior catalytic efficiency because several molecules can be adsorb to the protruded single metal atom with relatively high binding strength. Also, the catalytic efficiency of various kinds of nitrogen dopants in carbon nanostructure was compared to determine the active sites for the oxygen evolution reaction (OER). As a result, nitrogen atoms at the unzipped edges directly participate as an important active site for the oxygen evolution reaction with lower overpotential than pyridinic and quaternary nitrogen.

본 학위논문에서는 제일원리 양자계산을 이용하여 불순물 및 결함을 가지는 그래핀 기반 물질의 특성을 분석하고, 기체 흡착 및 촉매 작용 등의 화학반응을 이해한다. 원자 수준의 결함은 물질의 특성에 영향을 주고 활성 부위로 작용할 수 있기 때문에 그에 대한 이해와 제어는 매우 중요하다. 질소 함량에 따라 다양한 구조를 가질 수 있는 그래핀의 이중공석결함은 그 조성에 따라 선호하는 결합 원자가 다른데, 특히 4족 원소는 질소가 부족한 그래핀 합성 환경에서 잘 혼입되고, 질소가 풍부한 환경에서는 2가 산화수를 가지는 전이금속이 잘 결합하였다. 이들은 질소 함량에 따라 전자구조와 촉매 활성이 민감하게 변화하며, 전기화학적 양이온 교환 반응을 통해 니켈이나 구리 결함구조를 촉매 활성이 우수한 철이나 코발트로 치환할 수 있음을 보였다. 단일원자 뿐만 아니라 이합체와의 이중공석결함의 촉매 활성을 비교하기 위해 암모니아 흡착 세기를 조사한 결과, 초기 전이금속들이 우수한 촉매 활성을 보였으며, 튀어나온 구조를 가지는 초기 전이금속들의 결함 구조의 경우 하나의 금속 활성 부위에 여러 개의 기체를 흡착함으로써 보다 우수한 촉매 효율을 가질 것으로 예상하었다. 또한 산소발생반응의 촉매로 작용할 수 있는 질소 도핑된 탄소 나노 구조에서 여러 가지 질소 도펀트의 촉매 효율을 비교한 결과, 찢겨진 가장자리의 질소들이 직접 산소발생반응의 중요한 활성 부위로 작용함을 밝혀냈다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DNST 18002
형태사항 v, 49 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김나영
지도교수의 영문표기 : Kim, Yong-Hyun
지도교수의 한글표기 : 김용현
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 나노과학기술대학원,
서지주기 References : p. 45-49
주제 Graphene-based material
Defect
Dopant
Single atom catalyst
Electrocatalyst
Chemical reaction
First-principles calculation
그래핀 기반 물질
결함
불순물
단일원자촉매
전기 촉매 작용
화학반응
제일원리 계산
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