The chemical conversion of small molecules such as H$_2$, H$_2$O, O$_2$, N$_2$, CO$_2$, and CH$_4$ to energy and chemicals is critical for a sustainable energy future. Theoretical approaches have suggested various potential catalysts and enhanced our understanding. However, current theoretical model, which neglects surface charging and kinetics, does not sufficiently describe the electrode-electrolyte interface. In this dissertation, we employed advanced interface model which describes more realistic interface and investigated the electrochemical conversion of small molecule. We mainly focus on the quantitative explanation for the potential-dependent experimental measurements such as potential-dependent competition with side reaction, active site coverage changes and catalytic activity which have not been theoretically investigated by conventional methods. Two reactions (N$_2$ reduction and CO$_2$ reduction) are mainly discussed here. In Chapter 3, we investigated the origin of premature decrease of NRR activity based on the potential-dependent competition with hydrogen evolution reaction and suggested potential directions for overcoming the premature decrease. In Chapter 4, we investigated CO$_2$ reduction on Ni single atom catalyst and suggested design strategy for enhancing catalytic activity of Ni single atom catalyst.
수소, 물, 산소, 질소, 이산화탄소, 메탄과 같은 작은 분자들은 전기 화학적인 반응을 통해 차세대 에너지원이 되거나, 여러 고부가가치 화합물로 전환될 수 있다. 이론적인 방법을 통해 여러 우수한 전기 화학 촉매들이 제안되어 왔으며 촉매 개발 과정이 가속화되었다. 하지만 현재까지의 계산 방법은 대부분 상당히 근사적으로 전극-전해질 계면을 모사하고 있으며, 실험적인 현상들을 제대로 기술하지 못하는 한계점이 있다. 본 학위 과정에서는 기존 방법들의 한계를 극복할 수 있는 계산 방법들을 적용하여 실험 환경에 더 가까운 계면 모델에서 전기화학 반응을 통한 작은 분자 활성화에 대한 연구를 수행하였다. 이를 통해 현재까지 이론적으로 설명되지 못했던 전압에 따른 실험 결과들을 설명하였다. 주요 내용으로는 과전압이 증가함에 따라 오히려 활성이 감소되는 질소 환원 반응의 원인을 정량적으로 설명할 수 있었고, 여기서 얻은 결과들을 통해 활성 감소를 막을 수 있는 방안을 제안하였다. 또한 전압에 따른 이산화탄소 환원 반응을 살펴봄으로 니켈 단원자 촉매에서의 촉매 활성 증진에 대한 설계 방안을 제안할 수 있었다.
