| 초록 |
□ 연구의 목적 및 내용 연구과제의 목적은 나노광물 표면에서 일어나는 화학반응에 대한 반응기작을 규명하는데 있다. 특히, 층상구조를 가지는 맥크나와이트(FeS) 철황화광물은 강한 산화∙환원반응을 통하여 혐기환경에서 수은과 같은 유해원소의 이동성과 그 동태를 결정하는 중요한 환경 나노광물이며, 황화광상에서는 코발트, 니켈 등 다양한 전이금속과 함께 발견되는 황화광물 생성에 매우 중요한 광물이다. □ 연구결과 첫째, density functional theory (DFT) atomistic thermodynamics라는 advanced 전산 양자물리계산 방법을 터득할 수 있었다. 기존의 DFT 계산으로는 얻을 수 없던 환경변수(예, 온도, 분압)에 따른 광물과 광물표면의 안성성을 예측할 수 있게 되었다. 이번 과제를 통해 다양한 광물 연구에 적용할 수 있게 되어 연구방법론에서 큰 결실을 얻을 수 있었다. 둘째, DFT atomistic thermodynamics를 이용한 그동안 실험으로 풀지 못한 난제 해결에 큰 기여를 할 수 있었다. 맥크나와이트 결정에는 Co, Ni, Cu 등 다양한 전이금속이 함유되어 발견되지만, 자세한 결정화학적 구조는 40년 넘게 규명되지 못하였다. 이번 과제에서 DFT 구조최적화한 결과를 X-ray 실험으로 얻은 격자상수 자료와 비교하고, 온도와 H 2 S/H 2 분압에 따른 free energy를 ab initio 방법으로 계산한 결과, Co와 Ni은 FeS격자의 Fe 이온을 치환하여 존재한다는 것을 제시할 수 있었다 (광물학분야 top 저널 중 하나인 상위 5% 저널인 American Mineralogist 저널에 논문으로 출판). 또한 DFT atomistic thermodynamics 방법을 점토광물 표면연구에 적용하여 pyrophyllite 광물 edge 표면의 구조와 안정성은 온도와 물의 분압에 따라 크게 변한다는 것을 학계에서 처음으로 발표할 수 있었다 (Minerals SCIE 저널 논문 출판; 지구화학 분야 top 저널 중 하나인 Geochimica et Cosmochimica Acta 저널에 논문 accepted). 셋째, 맥크나와이트 광물 (100) 표면에서 일어나는 수은(HgS) 환원기작을 규명하는 DFT 계산연구 결과, HgS의 S가 표면의 Fe와 강한 결합을 할 때, 광물 표면에서 Hg으로 전하이동, 즉, Hg(II) to Hg(0)으로 환원을 증명할 수 있었다. 또한 DFT 계산연구를 스위스 로잔 대학교 실험실의 분광분석실험과 상호보완적으로 결합하여, 버네싸이트 나노광물의 edge 표면에 흡착하는 전이금속(Ni)의 흡착기작을 규명하였다(Geochimica et Cosmochimica Acta 저널에 논문 출판). □ 연구결과의 활용계획 DFT atomistic thermodynamics 계산방법은 전자-원자 수준의 계산을 macroscopic 열역학 개념과 이어주는 up-scaling을 가능케 하는 고급 계산방법으로, 다양한 광물연구에 활용할 수 있다. 이번에 규명한 맥크나와이트의 전이금속 함유기작은 금속황화광물 생성 및 Fe sulfide의 촉매작용 연구에 필요한 원자수준의 구조에 대한 reference 모델로 활용될 수 있다. 온도 등 다양한 실험조건에 따른 FeS의 표면에 대한 열역학 안정성 및 화학반응에 본격적으로 적용할 계획이다. ( 출처 : 요약문 4p ) |
