나노 다공성 슈퍼 촉매가 개발됐다.

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-09-13 22:45:34
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* 14개의 균일하게 혼합된 금속을 포함하는 촉매 물질
* 금속 알루미늄, 은, 금, 코발트, 구리, 철, 이리듐, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 백금, 로듐, 루테늄 및 티타늄의 균일한 혼합물
* 금속 원자는 크기가 5에서 50나노미터 사이인 구멍이 있는 다공성의 스펀지 같은 구조를 형성

연구원들이 "슈퍼 촉매"를 만들었다.
나노 다공성 촉매는 한 번에 14개의 촉매 활성 금속을 포함한다.


새로운 기록:
처음으로 연구원들이 14개의 균일하게 혼합된 금속을 포함하는 촉매 물질을 만들었다. 이러한 다원소 합금은 특히 내구성이 뛰어나고 다양한 반응 촉진제인 "초촉매"로 간주된다. 나노 다공성 다원소 촉매는 무엇보다도 전기분해에 의한 물 분해를 보다 에너지 효율적으로 만들 수 있다고 연구팀은 전문 잡지 "Chemical Science"에 보고했다. 

▲ 새로운 "슈퍼 촉매"는 14개의 금속으로 구성된다. 그 원자는 거의 균일하게 혼합되어 있으며 다공성 구조를

가지고 있다.© Takeshi Fujita


촉매는 이미 화학 및 기술 분야에서 없어서는 안될 조력자다.
미래의 에너지 생성 및 추진을 위한 촉매는 특히 중요한 역할을 할 수 있다. 전기분해로 수소 생산이 얼마나 효율적으로 수행되고 연료 전지가 얼마나 잘 작동하는지를 결정하기 때문이다. 또한 CO2, 플라스틱 폐기물 또는 식물 잔류물을 연료 및 기타 사용 가능한 화합물로 전환하는 데 필요하다.

요소의 결합을 통한 시너지 효과

특히 전기분해의 경우 연구자들은 여전히 ​​물 분해를 가능한 한 에너지 효율적으로 만드는 촉매를 찾고 있다. 이에 대한 유망한 후보는 소위 고엔트로피 합금(HEA)으로, 거의 동일한 비율로 포함된 균일하게 혼합된 여러 금속으로 구성된 재료다. 시너지 효과로 인해 이러한 합금은 효과적인 촉매일 뿐만 아니라 특히 단단하고 안정적이며 산화, 부식, 마모 및 기타 열화에 강하다.

"이러한 고엔트로피 합금의 활성 표면은 수백만 개의 서로 다른 원자 배열로 구성되며, 결과적으로 일부 표면 영역은 항상 현재 촉매의 결핍을 극복할 수 있는 최적의 촉매 특성을 가지고 있다"고 일본 고치 공과대학 Ze-Xing Cai와 그의 동료들이 설명했다.

이러한 다원소 합금을 생산하는 것은 결코 쉬운 일이 아니다. 많은 금속을 단순히 혼합할 수 없고 균질성을 달성하기 어렵다.

14가지 금속의 혼합물

이제 처음으로 Cai와 그의 동료들은 14개 금속에서 다원소 촉매를 생산하는 데 성공했다.
새로운 재료는 금속 알루미늄, 은, 금, 코발트, 구리, 철, 이리듐, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 백금, 로듐, 루테늄 및 티타늄의 균일한 혼합물로 구성된다. "이러한 원소는 특히 촉매로 자주 사용되는 전이 금속과 귀금속에 속한다"고 팀은 말했다.
▲ 그림 1(a) 나노다공성 초고엔트로피 합금(np-UHEAs) 제조의 개략도. (b) 합금을 제거한 후 리본과 np-UHEA14를 얻기 위해 용융 방사에 의해 급냉된 그대로의 전구체 합금 Al87Ag1Au1Co1Cu1Fe1Ir1Mo1Ni1Pd1Pt1Rh1Ru1Ti1의 X선 회절(XRD) 패턴. (c) np-UHEA14의 단면 영역의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지. (d) ~50 nm의 나노다공도와 fcc 구조를 나타내는 해당 선택 영역 회절 패턴을 나타내는 np-UHEA14의 저배율 투과 전자 현미경(TEM) 이미지. (e) ~5 nm 크기의 작은 나노포어와 무작위로 배향된 나노결정성을 보여주는 고해상도 TEM 이미지. (출처: 관련논문 그림1, Nanoporous ultra-high-entropy alloys containing fourteen elements for water splitting electrocatalysis)

이러한 금속을 원하는 혼합물로 만들기 위해 연구원들은 트릭을 사용했다.
먼저 알루미늄이 지배적인 합금을 만들고 더 적은 비율로 혼합된 나머지 금속에 대한 완충제 역할을 했다. 그런 다음 그들은 알칼리성 용매와 전기화학 반응의 조합을 통해 알루미늄의 많은 부분을 다시 추출했다.

전기분해에서 기존 촉매보다 우수

그 결과 X선 산란을 사용한 분석에서 알 수 있듯이 14가지 다른 금속이 거의 동일하고 대체로 균질하게 분포된 비율로 포함된 물질이다. 그러나 촉매에 대해 훨씬 더 흥미로운 것은 이 새로운 고엔트로피 합금의 내부 구조다. 금속 원자는 크기가 5에서 50나노미터 사이인 구멍이 있는 다공성의 스펀지 같은 구조를 형성한다. 따라서 촉매 반응을 위한 넓은 영역이 되는 셈이다.

Cai와 그의 동료들은 이 "초촉매"가 얼마나 잘 작동하는지 테스트하기 위해 다양한 전기분해 접근법을 사용했다.

결과는 "전기화학적 안정성과 촉매 활성은 수소 생산과 산성 매질에서 산소 생성 모두에서 백금/그래핀 또는 이산화이리듐과 같은 상용 촉매보다 우수한 것으로 입증되었다"고 연구진은 보고했다.
▲ 그림 4(a) np-UHEA를 촉매로 사용하는 전체 물 분해의 개략도. (b) 0.5M H2SO4에서 5mV s-1의 스캔 속도로 np-UHEA12||np-UHEA14 커플과 IrO2||Pt/G 커플에 의해 촉매되는 전체 물 분해의 편광 곡선. (c) 10mA cm-2의 전류 밀도에서 np-UHEA12||np-UHEA14 커플과 IrO2||Pt/G 커플의 색전위차 곡선. (d) 10mA cm-2의 전류 밀도에서 문헌에 보고된 주목할만한 산성 전체 물 침식 촉매의 전지 전압 값(해당 참조는 표 S2†에 표시됨). (출처: 관련논문 그림4)

"전 촉매"의 기회

과학자들의 견해에 따르면, 이러한 고엔트로피 합금과 이러한 다원소 촉매의 제조 방법은 미래에 다양한 응용 분야를 위한 내구성 있고 효과적인 맞춤형 촉매를 생산할 가능성을 제공한다. 특히 전기분해를 통한 수소 생산의 경우(예: 해상 풍력 발전 단지에서 직접) 이는 효율성과 에너지 절약 측면에서 가치 있는 발전을 가져올 수 있다.

Cai와 그의 동료들은 "동시에 만능 촉매를 위한 특정 요소를 결합할 수 있는 전례 없는 기회가 있다"고 말했다. 이러한 물질은 촉매 중에서 진정한 만능이 될 것이며 여러 목적으로 유사하게 사용될 수 있다.
(Chemical Science, 2021; doi: 10.1039/d1sc01981c)
출처: Japan Science and Technology Agency

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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