최고의 촉매 입자: 큐브가 구체보다 성능이 뛰어남

Ruhr-University Bochum 작성2023년 2월 5일

전기촉매는 전기화학전지에서 화학반응을 가속시키는 물질이다. 이는 연료 전지, 배터리, 전해조와 같은 많은 에너지 변환 및 저장 기술에서 중요한 구성 요소로서 이러한 시스템의 효율성과 안정성을 향상시킵니다.

기후 변화에 맞서 싸우려면 CO2 배출을 줄이는 것이 중요합니다. 현재 석유와 천연가스로부터 생산되는 회색수소가 널리 사용되고 있으나, 이를 재생에너지원에서 생산되는 녹색수소로 대체하려는 노력이 진행되고 있다. 그린수소는 전기분해를 통해 생산되는데, 이는 전기가 물을 수소와 산소로 분리하는 과정입니다. 잠재력에도 불구하고 전기분해를 실행 가능한 옵션으로 만들기 위해서는 몇 가지 과제를 극복해야 합니다.

현재 물 분해 공정은 제한된 정도로만 효율적이며 강력하고 내구성이 있으며 비용 효율적인 촉매가 충분하지 않습니다.

현재 가장 활동적인 전기촉매는 희귀하고 값비싼 귀금속인 이리듐, 루테늄, 백금을 기반으로 하고 있다고 Kristina Tschulik은 말합니다. "연구자로서 우리의 임무는 귀금속이 없는 새로운 고활성 전기촉매를 개발하는 것입니다."

그녀의 연구 그룹은 사람의 머리카락보다 백만 배 작은 기본 금속 산화물 나노입자 형태의 촉매를 연구합니다. 산업 규모로 제조되며 모양, 크기 및 화학적 구성이 다양합니다.

Kristina Tschulik(왼쪽)과 Hatem Amin은 녹색 수소의 촉매로서 나노입자를 연구하고 있습니다. 출처: © RUB, Marquard

Kristina Tschulik은 "우리는 수십억 개의 입자가 결합제 및 첨가제와 혼합되어 있는 소위 촉매 잉크를 검사하기 위해 측정을 사용합니다."라고 설명합니다. 이 방법을 사용하면 연구원들은 평균 성능만 측정할 수 있으며 개별 입자의 활동은 측정할 수 없습니다. 이것이 바로 정말 중요합니다.

루르 대학교 보훔(Ruhr University Bochum)의 분석 화학 박사후 연구원인 하템 아민(Hatem Amin) 박사는 “어떤 입자 모양이나 결정 면(바깥쪽으로 향하는 표면)이 가장 활동적인지 안다면 정확한 모양의 입자를 구체적으로 생산할 수 있을 것”이라고 말했습니다.

연구팀은 용액 속 개별 입자를 직접 분석하는 방법을 개발했다. 이를 통해 서로 다른 나노물질의 활성을 서로 비교하여 모양 및 구성과 같은 입자 특성이 물 분해에 미치는 영향을 이해할 수 있습니다. "우리의 결과는 개별 입방체 형태의 산화 코발트 입자가 구형보다 더 활성적이라는 것을 나타냅니다. 왜냐하면 후자는 항상 덜 활동적인 여러 측면을 가지고 있기 때문입니다."

Bochum 그룹의 실험 결과는 공동 연구 센터/Transregio 247의 일부로 Duisburg-Essen 대학의 Rossitza Pentcheva 교수가 이끄는 협력 파트너에 의해 확인되었습니다. 후자의 이론적 분석은 활성 촉매 영역, 즉 코발트에서 변화를 나타냅니다. 팔면체를 형성하는 산소 원자로 둘러싸인 원자와 사면체로 둘러싸인 코발트 원자.

"입자 모양과 활동 사이의 상관 관계에 대한 우리의 통찰은 실행 가능한 촉매 물질의 지식 기반 설계의 토대를 마련하고 결과적으로 화석 에너지 및 화학 산업을 재생 가능한 에너지원과 매우 활동적인 순환 경제를 기반으로 하는 순환 경제로 전환하는 데 기초가 됩니다. , 오래 지속되는 촉매제입니다."라고 Kristina Tschulik은 결론지었습니다.

참고 자료: "산소 진화 반응을 위한 단일 Co3O4 나노입자의 면 의존적 고유 활성(Adv. Function Mater. 1/2023)" 저작: Zhibin Liu, Hatem MA Amin, Yuman Peng, Manuel Corva, Rossitza Pentcheva 및 Kristina Tschulik, 1월 3일 2023, Advanced Functional Materials.DOI: 10.1002/adfm.202370006