나노기술 및 정책 정보

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수소는 독성 배출을 피하고 운송, 발전, 금속 제조 등 경제의 여러 부문에 가치를 더할 수 있는 지속 가능한 청정에너지 연료임. 수소 저장 및 운송 기술은 지속 가능한 에너지 생산과 연료 사용 사이의 격차를 해소하므로 실행 가능한 수소 경제의 필수 구성 요소임. 그러나 전통적인 저장 및 운송 수단은 비용이 많이 들고 오염되기 쉬움. 결과적으로 연구자들은 신뢰할 수 있고 저렴하며 간단한 대체 기술을 찾고 있음. 보다 효율적인 수소 전달 시스템은 고정 전력, 휴대용 전력 및 이동 차량 산업과 같은 많은 응용 분야에 도움이 될 것임.

로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory) 연구팀이 알코올에서 수소를 추출하는 제한 단계 중 하나를 가속화하기 위한 효과적인 재료를 설계하고 합성했음. 촉매인 이 물질은 2 차원 기판에 고정된 니켈 금속의 작은 클러스터로 만들어짐. 연구팀은 촉매가 액체 화학 운반체에서 수소 원자를 추출하는 반응을 깨끗하고 효율적으로 가속화할 수 있음을 발견했음. 이 재료는 안정적이고 귀금속으로 만든 기존 옵션이 아닌 지구에서 풍부한 금속으로 만들어져 수소를 다양한 응용 분야에서 실행 가능한 에너지원으로 만드는 데 도움이 됨. 연구팀은 중요한 재생 에너지 연료에 대해 테스트한 다른 니켈 촉매보다 더 높은 활성을 가진 촉매뿐만 아니라 저렴한 금속을 사용하기 위한 더 광범위한 전략을 제시함. 이 연구는 미국 에너지부 에너지 효율 및 재생 에너지국 수소 및 연료 전지 기술 사무소 (EERE)가 자금을 지원하는 컨소시엄인 수소 재료 고급 연구 컨소시엄 (HyMARC)의 일부임. 이러한 노력을 통해 5 개의 국립 연구소는 고체 수소 저장 물질의 발전을 가로막는 과학적 격차를 해결하기 위해 노력하고 있음. 이 작업의 결과물은 경제의 여러 부문에서 경제적인 수소 생산, 저장, 유통 및 활용을 위한 EERE의 H2 @ Scale 비전에 직접적으로 반영될 것임. 촉매 역할을 하는 화합물은 일반적으로 화합물 자체를 소비하지 않고 화학 반응 속도를 높이는 데 사용됨. 특정 분자를 안정된 위치에 유지하거나 매개체 역할을 하여 중요한 단계를 안정적으로 완료할 수 있음. 액체 운반체에서 수소를 생성하는 화학 반응의 경우 가장 효과적인 촉매는 귀금속으로 만들어짐. 그러나 이러한 촉매는 비용이 높고 부존량이 적으며 오염되기 쉬움. 더 일반적인 금속으로 만든 덜 비싼 촉매는 덜 효과적이며 덜 안정적이어서 수소 생산 산업에 대한 활동과 실제 적용을 제한함. 지구에 풍부한 금속 기반 촉매의 성능과 안정성을 개선하기 위해 연구팀은 작고 균일한 니켈 금속 클러스터에 초점을 맞춘 전략을 수정했음. 작은 클러스터는 주어진 양의 재료에서 반응성 표면의 노출을 최대화하기 때문에 중요함. 그러나 그들은 또한 함께 뭉치는 경향이 있어 반응성을 억제하게 됨. 연구팀은 2D 기판에 1.5 나노미터 직경의 니켈 클러스터를 증착하여 응집을 방지하는 실험을 설계하고 수행했음. 원자 규모의 딤플 그리드를 호스팅하도록 설계된 붕소 및 질소. 니켈 클러스터는 고르게 분산되어 딤플에 단단히 고정되었음. 이 디자인은 응집을 방지 할뿐만 아니라 열 및 화학적 특성이 니켈 클러스터와 직접 상호 작용하여 촉매의 전반적인 성능을 크게 향상 시켰음. 클러스터 형성 및 증착 단계에서 기본 표면의 역할이 중요한 것으로 밝혀졌으며 다른 프로세스에서 역할을 이해하는 데 단서를 제공할 수 있음. 이론적 계산과 결합된 상세한 X-ray 및 분광학 측정은 기본 표면과 촉매 작용에서의 역할에 대해 많은 것을 보여주었음. 연구원들은 버클리 연구소의 DOE 사용자 시설인 Advanced Light Source의 도구와 계산 모델링 방법을 사용하여 작은 니켈 클러스터가 형성되고 증착되는 동안 2D 시트의 물리적 및 화학적 특성의 변화를 확인했음. 팀은 금속 클러스터가 시트의 원시 영역을 차지하고 근처 가장자리와 상호 작용하는 동안 재료가 형성되어 클러스터의 작은 크기를 보존할 것을 제안했음. 작고 안정적인 클러스터는 수소가 액체 담체에서 분리되는 과정에서 작용을 촉진하여 촉매에 탁월한 선택성, 생산성 및 안정적인 성능을 부여하였음. 계산에 따르면 촉매의 크기가 최근 보고된 다른 것들에 비해 활성이 가장 좋은 이유였음. 연구팀은 모델 수립과 계산 방법을 사용하여 작은 금속 클러스터의 독특한 기하학적 구조와 전자 구조를 발견했음. 이 작은 클러스터에 풍부한 베어 메탈 원자는 더 큰 금속 입자보다 액체 캐리어를 더 쉽게 끌어 당겼음. 이러한 노출된 원자는 또한 캐리어에서 수소를 제거하는 화학 반응 단계를 용이하게 하면서 클러스터 표면을 덮을 수 있는 오염 물질의 형성을 방지함. 따라서 물질은 수소 생산 반응의 주요 단계에서 오염이 없는 상태로 유지되었음. 이러한 촉매 및 오염 방지 특성은 의도적으로 2D 시트에 도입된 결함에서 비롯되었으며 궁극적으로 클러스터 크기를 작게 유지하는 데 도움이 되었음. 오염은 비귀금속 촉매를 사용할 수 없게 만드는 원인이었음. 여기에서 연구팀의 플랫폼은 이러한 시스템을 엔지니어링하는 새로운 문을 열어줌. 연구팀의 촉매를 통해 연료로 사용하기 위해 액체 캐리어에서 수소를 생산하는 데 도움이 되는 비교적 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 안정적인 물질을 만드는 목표를 달성했음. 이 작업은 EERE의 수소 및 연료 전지 기술 사무소의 목표를 충족하고 향후 차량에서 사용할 수 있도록 재료를 최적화하기 위한 수소 저장 재료를 개발하려는 DOE의 노력에서 비롯되었음.

향후 작업은 보다 효율적인 촉매를 개발하기 위해 작은 금속 클러스터를 지원하는 방식으로 2D 기판을 수정하는 전략을 더욱 발전시킬 것임. 이 기술은 액체 화학 운반체에서 수소를 추출하는 과정을 최적화하는 데 도움이 될 수 있음.

본 연구 성과는 ‘Proceedings of the National Academy of Sciences’ (“Enhanced and stabilized hydrogen production from methanol by ultrasmall Ni nanoclusters immobilized on defect-rich h-BN nanosheets”) 지에 게재됨