나노기술 및 정책 정보

• 목록

전기를 사용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 것은 청정 연소 수소 연료를 생산하는 효과적인 방법이 될 수 있으며, 재생 가능 에너지원에서 전기를 생산할 경우 더 많은 이점을 얻을 수 있음. 그러나 물 분해 기술이 향상됨에 따라 종종 다공성 전극 재료를 사용하여 전기 화학 반응을 위한 더 큰 표면적을 제공하기 때문에 그 효율성은 종종 반응성 표면을 막을 수 있는 기포의 형성에 의해 제한됨.

미국 MIT의 연구진은 처음으로 이러한 다공성 전극에 기포가 형성되는 방식을 분석하고 정량화함. 연구원들은 기포가 표면에서 형성되고 이탈할 수 있는 세 가지 방법이 있으며 전극의 구성과 표면 처리를 조정하여 정밀하게 제어할 수 있음을 발견함.

이 발견은 연료 또는 화학 원료를 형성하기 위해 발전소 배출물이나 공기에서 포집된 이산화탄소를 전환하는 데 사용되는 것을 포함하여 다양한 다른 전기 화학 반응에도 적용될 수 있음.

반응은 액체 매질 내에서 지속적으로 가스를 생성하기 때문에 가스는 일시적으로 활성 전극 표면을 차단할 수 있는 기포를 형성함. 기포 제어는 높은 시스템 성능을 실현하기 위한 핵심임. 그러나 그러한 시스템에서 사용하기 위해 점점 더 연구되고 있는 다공성 전극의 종류에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았음.

연구진은 기포가 표면에서 형성되고 방출되는 세 가지 방법을 확인함. 첫 번째, 내부 성장 및 이탈에서 기포는 전극의 기공 크기에 비해 작음. 이 경우 기포가 자유롭게 떠다니고 표면이 비교적 투명하게 유지되어 반응 과정을 촉진함. 또 다른 방식에서는 기포가 모공보다 크기 때문에 막혀서 개구부를 막아 반응을 크게 줄이는 경향이 있음. 그리고 세 번째, 위킹이라고 하는 중간 체제에서 기포는 중간 크기이고 여전히 부분적으로 막혀 있지만 모세관 작용을 통해 스며 나옴.

연구진은 이러한 영역 중 어느 것이 발생하는지 결정하는 데 중요한 변수가 다공성 표면의 습윤성임을 발견함. 물이 표면 전체에 고르게 퍼지거나 구슬이 물방울로 퍼지는지 여부를 결정하는 이 품질은 표면에 적용된 코팅을 조정하여 제어할 수 있음. 연구진은 PTFE라고 하는 폴리머를 사용했고, 전극 표면에 스퍼터링을 많이할수록 더 소수성이 되었음. 또한 더 큰 기포에 의한 막힘에 더 강해졌음.

전환은 매우 갑작스럽기 때문에 표면 코팅 범위의 작은 변화로 인한 습윤성의 작은 변화조차도 시스템의 성능을 극적으로 바꿀 수 있음.

다공성 전극을 만드는 방식을 통해 기공 크기를 제어할 수 있으며 추가된 코팅을 통해 습윤성을 정밀하게 제어할 수 있음. 따라서 이 두 가지 효과를 조작함으로써 향후 이러한 설계 매개 변수를 정밀하게 제어하여 다공성 매체가 최적의 조건에서 작동하도록 할 수 있음. 이를 통해 재료 설계자는 특정 응용 분야에 최상의 성능을 제공하기 위해 화합물, 제조 방법 및 표면 처리 또는 코팅을 선택하는 데 도움이 되는 일련의 매개 변수를 제공함.

본 연구 성과는 Joule ("Bubble growth and departure modes on wettable/non-wettable porous foams in alkaline water splitting")에 게재됨.