Carbon dioxide reduction reaction ($CO_2RR$) has been studied because the products of the reaction are chemicals that can be used as fuels such as methanol and methane. Among the chemicals obtained through $CO_2RR$, methanol has high energy density and can be used as fuel for fuel cells, so, methanol production is very important. We designed an electrochemical catalyst based on metal oxides. The metal oxide is expected to have high efficiency in methanol production due to the isolated structure of its active site. Among them, $V_2O_3$ is likely to be used as an electrochemical catalyst because of its high electrical conductivity and high stability in aqueous solution. We made a termination determination on the $V_2O_3$ (0001) surface using density functional theory (DFT). And to increase the catalytic activity by changing the multiplicity of the 3d orbital, the catalyst candidate group was designed by replacing the 3d transition metal. We predicted the $CO_2RR$ catalytic activity of the catalyst candidates using the DFT computed reaction diagrams. This study suggests catalyst candidates based on $V_2O_3$, which is expected to show high efficiency in $CO_2$ to CO convert, $CO_2$ to $CH_3OH$ and $CO_2$ to $CH_4$ convert.
이산화탄소 환원 반응 ($CO_2RR$)은 반응의 생성물로 메탄과 메탄올 등 연료로 이용 가능한 화학 물질이기에 많은 연구가 이루어져 왔다. 하지만, 기존의 전이금속 전극 촉매는, d-band 이론에 의해 결합에너지의 상관관계를 벗어나기 어렵다. 본 연구에서는 바나듐 산화물 ($V_2O_3$)을 기반으로 한 전기화학 촉매를 설계하였다. 금속 산화물의 촉매 활성점은 고립된 구조를 가지고 있기에 메탄올 생성에 높은 효율을 가질 것으로 기대된다. 그 중에서도 $V_2O_3$는 높은 전기전도도와 수용액에서의 높은 안정성이 때문에 전기 화학 촉매의 재료로 선정하였다. 밀도 범함수 이론 (DFT)을 사용하여 $V_2O_3$ (0001) 표면에 대한 최적화를 진행하였다. 그리고 3d 오비탈의 전자 배치를 변화시킴으로써 촉매 활성을 증가시키기 위해, 3d 전이 금속 치환을 통해 촉매 후보 군을 설계되었다. 촉매 후보 군의 $CO_2RR$ 촉매 활성은 DFT로 계산 된 반응 다이어그램이 사용되어 예측되었다. 본 연구는 이산화탄소를 일산화탄소, 메탄, 그리고 메탄올로 전환 하는데 높은 효율을 가질 것으로 기대되는 $V_2O_3$ 기반의 촉매 후보 물질을 제안한다.
