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dc.contributor.advisor Han, Byung Chan -
dc.contributor.author Kwon, In Hye -
dc.date.accessioned 2017-05-10T08:49:44Z -
dc.date.available 2016-05-18T00:00:00Z -
dc.date.issued 2013 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000002262493 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/1321 -
dc.description.abstract Low temperature fuel cells with noble metal-based catalysts are one of the promising green technologies. However, they have obstacles to wide commercialization largely caused by catalysts with high materials costs, poor electrochemical durability, and low efficient activity. As such, it is highly demanded to develop inexpensive but efficient and stable metal-free catalysts of fuel cells. Recently, it was reported that the electrochemical activity of nitrogen-doped graphene for oxygen reduction reaction (ORR) could be comparable to Pt/C in alkaline fuel cells. In this thesis, catalytic mechanisms of graphene-based materials for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs) were studied using first-principles density functional theory (DFT) computations. Thesis work includes the atomic-level structural studies of graphene-based materials, charge distribution analysis by doping, interfacial water layer structures, adsorption energies of various chemical species. These quantum mechanical grade of information is used to construct thermodynamic free energy diagrams and thus, to identify the most viable ORR mechanisms. This thesis confirms that doping with heteroatom in graphene causes charge redistribution, and creates charged sites. Positively charged sites with lower electronegativity between carbon and dopants acted as O2 adsorption sites by reducing overpotential needed in the O2 adsorption. Furthermore, two-electron reaction involving hydrogen peroxide was not preferred on N, B, and P-doped graphene but on pristine graphene. Through this thesis, we found doping with heteroatoms can considerably affect the electronic structures of graphene and alter its ORR mechanisms leading to improving ORR activity. ⓒ 2013 DGIST -
dc.description.tableofcontents Chapter 1. Introduction 1
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1.1 Overview 1
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1.2 Literature Review 4
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1.3 Thesis Outline 7
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Chapter 2. Methodology 9
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2.1 Introduction to the Ab-Initio Computations 9
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2.2 Computational Details 10
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2.3 Bader Charge Analysis 10
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Chapter 3. Results and Discussion 12
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3.1 Stable Structures of Nitrogen-Doped Graphene 12
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3.2 Charge Density Analysis 14
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3.3 Interfacial Water Structures 18
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3.4 Adsorption Energies of O2 and OH 23
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3.5 Oxygen Reduction Reaction Mechanism 31
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Chapter 4. Conclusions 40
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References 42
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Summary(국문요약) 46
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dc.format.extent 46 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.subject first-principles -
dc.subject density functional theory -
dc.subject fuel cell -
dc.subject oxygen reduction reaction -
dc.subject graphene -
dc.subject 연료전지 -
dc.subject 제1원리 전산 -
dc.subject 범밀도 함수 이론 -
dc.subject 산소환원반응 -
dc.subject 그래핀 -
dc.title Ab-Initio Computational Studies of the Catalysis Mechanisms on Graphene-Based Materials in Fuel Cell Applications -
dc.title.alternative 제 1 원리 전산을 이용한 그래핀 기반 재료의 연료전지 촉매 거동 연구 -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/thesis.2262493 -
dc.description.alternativeAbstract 미래 사회의 가장 뜨거운 화두 중의 하나인 에너지 문제를 해결할 수 있는 신재생 에너지원으로서 유망한 연료전지는 비싼 백금 촉매 가격, 취약한 내구성 및 안정성, 낮은 촉매 활성도 등으로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다. 따라서 비싼 백금계 촉매를 대체할 수 있는 활성도가 높고 내구성이 좋은 비금속 촉매를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 실험 결과에서는 질소를 도핑한 그래핀이 알칼라인 연료전지에서 기존 백금계보다 우월한 촉매 성능을 보인 것이 보고되기도 하였다. 위의 연구 결과에서 동기를 얻어, 본 논문에서는 제 1원리 전산법을 이용하여 그래핀 물질의 연료전지 산소환원반응에 대한 촉매 거동을 원자 단위 수준에서 밝히고자 하였다. 본 논문에 기술된 내용은 제1원리 범밀도함수 전산법으로 얻어진 정량적인 화학적, 전기화학적 반응 에너지뿐 아니라 대상 물질의 안정화된 구조적 분석을 포함한다. 모든 계산은 Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) 코드를 이용하여 수행하였으며, 전자의 교환상관에너지 (exchange correlation energy)는 GGA PBE 근사를 사용하였다. 우선, 계산을 통해 질소 (N)가 첨가된 그래핀의 열역학적으로 안정한 구조를 구하였다. 이를 통해 얻어진 계산 모델에서 질소 도핑에 따른 전자 밀도 변화를 관찰하기 위해 Bader charge 분석을 하였고, 비교를 위해 붕소 (B)와 인 (P)이 도핑된 그래핀에 대해서도 동일한 계산을 하였다. 탄소 원자와 이종 원자간 전기음성도 차이가 그래핀의 전자 재분포를 야기했고, 이때 전하를 띠게 되는 원자 (질소 도핑의 경우: 탄소, 붕소 도핑의 경우: 붕소, 인 도핑의 경우:인)가 산소 분자의 흡착 위치로 작용하였다. 중요한 것은 도핑 원소의 전기음성도가 탄소보다 큰지 작은지에 상관 없이 탄소 원자와 이종원자 간 전기 음성도 차이로 인해, 산소 흡착에 유리한   전하를 띠게 되는 위치가 생성된다는 것이다. 이는 순수한 그래핀에 비해 산소분자의 흡착 에너지를 강화시켜 결과적으로 산소환원반응에 있어서 과전압 (overpotential)을 감소시킴으로써 활성도를 향상시키는 결과를 낳았다. 특히, 도핑된 인 원소는 강한 산소 흡착 에너지와 함께 산소와 산소 원자 사이의 결합을 약화시켜 산소 분자를 해리시키는 거동을 보였다. 산소환원반응에 대한 심화된 이해를 얻고자 반응 중간 생성물의 에너지를 계산하였다. 각각 다른 이종 원소가 도핑된 그래핀에서는 서로 다른 반응 경로를 통해 산소환원반응의 중간 생성물들이 얻어졌다. 질소, 붕소, 인이 도핑된 그래핀에서와 달리 순수한 그래핀에서는 2-전자 환원 반응이 열역학적으로 더 우세할 것으로 예측되었다. 본 연구를 통해 다양한 이종 원소 도핑에 대한 더 넓은 확장과 응용 연구 가능성을 제시할 수 있을 것으로 생각된다. 뿐만 아니라, 향후 두 가지 이상 원소가 도핑된 보다 복잡한 그래핀 구조의 촉매 기구에 대해 도핑 원소들 간의 시너지 효과를 연구한다면, 더욱 흥미롭고 유익한 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. ⓒ 2013 DGIST -
dc.description.degree Master -
dc.contributor.department Energy Systems Engineering -
dc.contributor.coadvisor Kim, Ho Young -
dc.date.awarded 2013. 2 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.date.accepted 2016-05-18 -
dc.contributor.alternativeDepartment 대학원 에너지시스템공학전공 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Kwon, In Hye -
dc.contributor.affiliatedAuthor Han, Byung Chan -
dc.contributor.affiliatedAuthor Kim, Ho Young -
dc.contributor.alternativeName 권인혜 -
dc.contributor.alternativeName 한병찬 -
dc.contributor.alternativeName 김호영 -
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Department of Energy Science and Engineering Theses Master

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