나노복합체

2023년 8월 30일 대화상자

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안쿠르 쿠마르(Ankur Kumar), 사산카 데카(Sasanka Deka)

화석 연료를 기반으로 하는 기존 에너지 자원의 감소와 그에 따른 환경적 영향으로 인해 전 세계적으로 재생 가능 에너지 자원 개발에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 이러한 재생 가능 에너지 자원은 세계 인구의 전체 에너지 수요를 충족시키지 못할 수도 있습니다. 그러나 화석 연료 연소로 인한 온실 가스 및 대기 오염의 영향을 제한합니다. 대체 자원 중에서 수소는 가장 깨끗한 에너지 운반체로 간주됩니다.

그러나 수소는 자연계에 산소처럼 순수한 상태로 존재하지 않으며 천연가스(메탄), 석탄, 바이오매스, 물 등 수소를 함유한 자원으로부터 개질, 열분해, 전기분해를 통해 생산해야 한다. 그러나 천연가스, 석탄, 바이오매스로부터 수소를 생산하면 온실가스인 이산화탄소(CO2)가 배출됩니다.

우리는 물(H2O)이 수소와 산소 원자로 구성되어 있다는 것을 알고 있습니다. 따라서 바닷물은 무한한 수소 공급원이 될 수 있습니다. 따라서 수소는 화석연료를 대체할 수 있는 대안으로 여겨진다. 재생에너지(풍력, 태양광, 수력, 파력 등)를 이용한 전력 생산을 '그린수소'라고 합니다. 이 시나리오에서는 견고한 전기촉매 표면의 전해조에서 재생 가능한 전기를 사용하여 물을 수소와 산소로 분리하는 것이 제안된 기술 중 하나입니다.

해당 분야의 발전에도 불구하고 저렴한 녹색 수소를 생산하기 위한 물을 뱉는 과정은 효율적인 전기촉매와 관련된 한계로 인해 여전히 부진한 상태로 남아 있습니다. 이론적으로 물은 1.23V에서 분해됩니다. 그러나 실제적으로 이 값은 1.5V보다 큽니다(추가 에너지 낭비를 의미). 이 최소 에너지는 이론적으로 물 분자를 분해하는 데 필요합니다. 이 공정을 위한 전해조에는 Pt, Pd, Au, Rh, Ir 등과 같은 고가의 귀금속 및 귀금속 기반 전기촉매가 사용됩니다.

업계와 전문가가 직면한 주요 문제는 O2를 생성하는 물의 산화와 가혹한 산업 알칼리 조건에서 촉매의 안정성입니다. 첫 번째 문제에서 반쪽 전지 반응은 4개의 전자가 관련되고 다른 구성 요소(전해질, 연결, 촉매 등)의 저항성과 관련된 에너지 손실을 제외하고 대부분의 에너지가 필요한 오르막 반응입니다. 전해조. 두 번째 문제는 값비싼 촉매가 표면 분해로 인해 활성을 잃는 경우가 많다는 점이다. 이러한 조건에서 이러한 물 분해 반응을 위해서는 저렴하고 저렴하면서도 활성이 뛰어나고 안정적인 전기촉매가 필요합니다.

최근 연구에서 Sasanka Deka가 이끄는 우리 팀은 전체 물 분해를 위한 새로운 나노복합체 기반의 고효율이면서도 비용 효율적인 전기촉매를 설계하고 개발했습니다. 나노복합체는 나노미터 범위에 존재하는 두 가지 이상의 재료가 균일하게 혼합된 혼합물입니다. 현재의 나노복합체는 계층적 Co 나노시트의 NiCu 합금화 나노입자를 기반으로 하는 나노 아키텍처입니다. 우리의 연구 결과는 ACS Catalytic 저널에 게재되었습니다.

사용되는 재료는 귀금속에 비해 저렴하고 합성과정이 매우 편리합니다. 이 새로운 촉매는 물 분해를 위해 수산화칼륨(KOH) 전해질의 전해조에 사용되었습니다. 흥미롭게도 이 시스템은 1.46V 셀 전압에서 NiCu/Co 전기촉매를 사용하여 물을 분해하고 수소 가스를 생성하는 것을 보여줍니다. 따라서 전기촉매는 가정용 1.5볼트 배터리만 사용해도 물을 분해할 수 있다.