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물질·재료 연구기구(NIMS) 에너지·환경재료연구거점 연구그룹이 제1원리 계산과 반응 속도론적 계산 기술을 결합하여 고체 촉매의 성능을 이론적으로 평가하는 시뮬레이션 방법을 개발함.

기존에는 단일 또는 제한된 수의 반응 경로에 대한 시뮬레이션 연구가 주를 이루었으며, 정보를 사용하지 않고 촉매 반응의 효율을 예측하기 어려웠음.

연구진은 양자 역학에 기반한 제1원리 계산과 반응 속도론 시뮬레이션을 통합하는 기술을 개발, 천연 가스 이용에 있어서 중요한 ‘산화 메탄 커플링 반응(Oxidative Coupling of Methane, OCM)’에 적용함. OCM 촉매로 널리 사용되고 있는 산화마그네슘(MgO)을 대상으로 개발된 계산 방법을 적용함. 결과, 반응 속도론에 관한 실험 결과를 이용하지 않고 생성물인 에탄 등의 수율을 예측하는 데 성공함. 또한, 온도 및 분압에 의한 수율 변화도 예측했으며, 그 결과는 기존의 실험 결과를 충실히 재현하는 것이었음.

본 연구 성과로 실험 데이터가 없는 경우에도 시뮬레이션에서 촉매의 성능을 평가할 수 있게 됨으로써, 향후 이론과 계산이 주도하는 촉매 물질의 탐색이 가속화 될 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ACS Catalysis(A First-Principle Microkinetics for Homogeneous-Heterogeneous Reaction: Application to Oxidative Coupling of Methane Catalyzed by Magnesium Oxide)에 공개됨.