Member Research Publication Lectures Notice

Simulation
Nano Phase Diagram -
Solder
Synthesis NPs
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본 연구실의 Simulation 그룹은 원자단위 시뮬레이션인 Molecular Dynamics (MD), Monte-Carlo Method (MC)와 전자단위 계산법인 Density functional Theory (DFT)를 유기적으로 결합하여 나노 재료를 해석, 설계하고 있다.

< 소재의 크기와 시간에 따르는 다양한 실험/전산모사 방법 >


일반적인 전산모사 그룹들은 MD나 MC와 같은 분자단위 시뮬레이션과 DFT나 ab-initio 계산과 같은 전자단위 계산 연구를 독립적으로 수행하는 경우가 대부분이다. 하지만 본 연구실은 국내에서는 드물게 여러 전산모사 방법론에 대해 폭넓은 이해를 바탕으로 멀티스케일 시뮬레이션 환경을 구현하고 있으며, 이를 바탕으로 신소재공학과 내부적으로는 물론 미국 UC-Santa Barbara, UT-Austin, Univ. of Pennsylvania, KAIST 화학과, 한국표준과학연구원, KIST 등과 함께 공동 연구를 진행하고 있다.
 


1. Structural Stability of Nano-Materials


/ Bimetallic nanoparticles /

나노 입자는 그 구조에 따라 매우 다양한 물리적, 화학적, 광학적 특성을 갖는다. 따라서 실제 응용을 위해, 주어진 조건에서 나노 입자가 갖는 구조에 대한 정확한 예측은 매우 중요하다. 본 연구실에서는 단원계 뿐만 아니라, 이원계 나노 입자의 종류, 온도, 크기, 조성에 따른 입자의 구조 안정성에 대한 연구를 활발히 수행하고 있다.


< Ag-Pd 나노 입자의 온도의존 구조 변화(a) 300; (b) 400; (c) 500; (d) 700 K >

< 광학적 특성으로 주목 받는 Nanoprism의 성장 mechanism 규명 >



나노 입자는 bulk와는 달리 부피 대비 표면적의 비율이 높아 매우 낮은 녹는점을 갖는다. 위와 같은 온도 의존 구조 변화 데이터를 확장하여 나노 입자의 상태도를 제작, 응용한다.

< Ag-Pd 나노 입자의 크기별 Nano-Phase Diagram (a) D=2.5nm (b) D=2.9nm (c) D=3.5nm) >


/ Nanowires /

1D 나노 입자는 물론 2D 나노 와이어의 경우에도 그 성장 메커니즘과 물성에 대한 다각적인 연구를 수행 중이다.
Au Nanowire의 성장 메커니즘 규명
(KAIST 화학과와 공동연구)

Bimetallic nanowire의 Mechanical Property

 


2. Computational Design of Nano-Catalysts

Simulation group의 가장 핵심적인 연구 테마는 MD/MC/DFT등 멀티 스케일 Simulation기법을 이용한 나노 촉매의 설계이다. 특히 Bimetallic Nano Particle및 Oxide-Metal Composite 촉매를 이용한 Selective Oxidation 촉매와 Fuel cell 촉매 연구분야에서 두드러진 성과를 거두고 있다.

< Partially Reduced Rutile-TiO2 supported Au를 이용한 Fuel Cell용 나노 촉매 >

< 0.6 nm Ag 나노 입자에 의한 CO의 selective oxidation >



또한 TiO2, CeO2등 Metal-oxide nano촉매를 이용한 selective oxidation, Water Gas Shift Reaction (Hydrogen generation), dehydrogenation에 대한 연구도 함께 수행하고 있다.

< Doped-Rutile TiO2촉매를 이용한CO의 Selective >

< Rutile supported vanadium oxide에 의한 methanol의 oxidativedehydrogenation >

< Au-doped CeO2에서 일어나는 Water Gas Shift Reaction >

 


3. System Optimization of Nano-Catalysts

나노 입자를 이용한 촉매는 이미 자동차 배기가스 정화용 촉매, Fuel-Cell 촉매 등으로 적용되고 있다. 이때 촉매 입자들의 aggregation 현상을 방지하면 나노 촉매의 내구성을 향상시킬 수 있다. 본 연구실은 graphite와 CNT에 지지된 나노 입자 촉매 시스템에서 나노 입자의 diffusion mechanism 및 pathway를 밝힘으로써 내구성을 증가시킬 수 있는 최적화된 시스템 환경을 제안하였다.

< 나노 입자의 구조에 따른 bottom layer의 구조 및 흑연과의 matching 형상, 나노 입자의 diffusion을 결정하는 요소가 된다 >

< Mixed bottom layer를 가진 나노 입자의 total atomic movement >

Graphite와 CNT에 지지된 나노 입자는 서로 다른 mechanism을 통해 diffusion한다. Graphite에 지지된 나노 입자의 경우는 나노 입자의 bottom layer의 구조에 확산이 의존하지만 CNT의 경우 bottom layer 뿐 아니라 CNT의 chirality및 반지름에 의해 확산의 방향 및 정도가 결정된다.
< CNT에 지지된 Pt 나노 입자의 diffusion pathway >
 
[ Simulation group 연구 성과 : 2011년 이후 ]
H. Y. Kim, D. H. Kim, and H. M. Lee, J. Nanosci. Nanotechnol. 11, 2251 (2011)
J. M. Yuk, K. Kim, B. Aleman, W. Regan, J. H. Ryu, J. Park, P. Ercius, H. M. Lee, A. P. Alivisatos, M. F. Crommie, J. Y. Lee, and A. Zettl, Nano Letters 11, 3290 (2011)
J. H. Ryu, S. S. Han, D. H. Kim, G. Henkelman and H. M. Lee, Acs Nano 5, 8515 (2011)
D. H. Kim, K. Shin and H. M. Lee, J. Phys. Chem. C 115, 24771 (2011)
H. S. Jang, H. Y. Kim, Y.-S. Kim, H. M. Lee and D. Y Jeon, Opt Express (2012)
H. Y. Kim, H. M. Lee and G. Henkelman, J. Am. Chem. Soc. (2012)
S. C. Yeo, D. H. Kim, K. Shin and H. M. Lee, Phys. Chem. Chem. Phys (2012)
K. Shin, D. H. kim, S. C. Yeo and H. M. Lee, Catal Today (2012)
I. Jung, K. Shin, N. R. Kim and H. M. Lee, J. Mater. Chem. C (2013)
S. C. Yeo, S. S. Han and H. M. Lee, Phys. Chem. Chem. Phys. (2013)
K. Shin, D. H. Kim and H. M. Lee, ChemSusChem (2013)
S. C. Yeo, S. S. Han and H. M. Lee, J. Phys. Chem. C (2014)
J. C. Park, S. C. Yeo, D. H. Chun, J. T. Lim, J.-I. Yang, H.-T. Lee, S. Hong, H. M. Lee, C. S. Kim and H. Jung, J. Mater. Chem. A (2014)
S. C. Yeo, Y. C. Lo, J. Li, and H. M. Lee, J. Chem. Phys (2014)