나노기술 및 정책 정보

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수소 연료를 만드는데 사용되는 니켈 기반 촉매를 만드는 과학자들은 화학적 특성을 완전히 제어하기 위해 한 번에 하나의 원자 층을 만들어 왔지만, 촉매의 맨 위 원자 층이 재배열되어 새로운 패턴을 형성하면서 제대로 작동하는데 어려움이 있었음. 미국 스탠포드 대학과 에너지 부 SLAC 국립 가속기 연구소(SLAC National Accelerator Laboratory)의 과학자들은 이러한 변화를 이해하고 제어함으로써 더 좋은 촉매를 만드는 새로운 방법을 고안함.

촉매는 반응 과정에서 매우 빠르게 변할 수 있으며 비활성 단계에서 활성 단계로 전환하는 방법을 이해하는 것은 보다 효율적인 촉매를 설계하는데 중요함.

이 특정 촉매인 란탄 니켈 산화물 또는 LNO는 전기로 구동되는 반응에서 물을 수소와 산소로 분해하는데 사용됨. 이것은 수소 연료를 생성하는 첫 번째 단계로, 태양광 및 다른 자원에서 재생 가능한 에너지를 에너지가 풍부하고 운송하기 쉬운 액체 형태로 저장할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있음. 그러나 이 첫 번째 단계는 또한 가장 어려운 단계이며, 연구원들은 이를 보다 효율적으로 수행할 저렴한 재료를 찾고 있음. 반응이 촉매 표면에서 발생하기 때문에 연구자들은 이러한 표면을 정밀하게 설계하여 고효율로 하나의 특정 화학 반응만 촉진하도록 해봄.

이 연구에 사용된 LNO는 유사한 원자 구조를 가진 천연 광물의 이름을 딴 페로브스카이트 (perovskites)로 알려진 유망한 촉매 물질 계열에 속함. 연구를 수행하기 위해 매우 정밀한 배열을 생성하는 방식으로 얇은 원자 층으로 성장한 필름인 에피택셜 박막으로 알려진 LNO를 준비함.

서로 다른 온도에서 두 가지 버전의 필름을 만들었는데, 하나는 니켈이 풍부한 표면과 다른 하나는 란탄이 풍부한 표면으로 만들어 물 분해반응을 통한 성능을 비교함. 그 결과 니켈이 풍부한 표면을 가진 필름이 반응을 두 배나 빠르게 한다는 것을 밝힘.

촉매 성능의 차이가 필름의 마지막 원자 층에만 있다는 것을 밝혀냈는데, 연구진은 이 복잡한 시스템의 계산 연구 또한 수행하여 실험 결과와 일치함을 확인하고, 입방체 패턴에서 육각형 패턴으로 표면이 변형된 촉매가 가장 활동적이고 안정적일 것이라고 예측함.

이 특정 촉매는 물을 수소와 산소로 분리하는 데 세계 최고는 아니지만 표면 변형이 활성을 어떻게 증가시키는지 발견하는 것에 의의를 두며, 잠재적으로 다른 물질에도 적용될 수 있음.

본 연구는 Nature Materials ("Tuning electrochemially driven surface transformation in atomically flat LaNiO3 thin films for enhanced water electrolysis")에 게재됨.