나노기술 및 정책 정보

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전기화학은 점점 더 중요한 역할을 하고 있음. 연료전지, 전기분해 또는 화학에너지 저장 등, 전류에 의해 제어되는 화학반응이 활용됨. 이러한 모든 응용분야에서 결정적인 요소는 반응이 가능한 한 빠르고 효율적이어야 한다는 것임.

비엔나 공과대학교(Vienna University of Technology)와 함부르크의 DESY 공동연구팀이 란탄, 스트론튬, 철 및 산소로 만든 특수 물질이 두 가지 상태 간에 전환될 수 있음을 보여주었음. 한 상태는 물질이 촉매적으로 극도로 활동적인 상태이고 다른 하나는 덜 활성 상태임. 그 이유는 표면에 있는 작은 철 나노입자의 거동 때문이며, 이는 현재 함부르크에 있는 독일 전자 싱크로트론 DESY의 실험에서 입증되었음. 이 발견은 이제 더 나은 촉매를 개발하는 것을 가능하게 할 것임.

페로브스카이트는 매우 다양한 종류의 물질이며 일부는 우수한 촉매제임. 페로브스카이트의 표면은 특정 반응물을 서로 접촉시키거나 다시 분리하는 데 도움이 될 수 있음. 무엇보다도 페로브스카이트는 산소 이온을 투과 할 수 있다는 장점이 있음. 따라서 전류를 전도할 수 있으며 연구팀은 이것을 활용하고 있는 것임. 페로브스카이트에 전압이 가해지면 산소 이온이 결정 내에서 방출되어 물질을 통해 이동하기 시작함. 전압이 특정값을 초과하면 페로브스카이트의 철 원자도 이동함. 그들은 표면으로 이동하여 직경이 몇 나노미터에 불과한 작은 입자를 형성함. 본질적으로 이러한 나노 입자는 우수한 촉매제임. 흥미로운 점은 전압을 반전시키면 촉매 활동이 다시 감소한다는 것임. 그 이유는 지금까지 명확하지 않았음. 어떤 사람들은 철 원자가 단순히 결정으로 다시 이동할 것이라고 추측했지만 사실이 아님. 효과가 발생하면 철 원자가 물질 표면에서 그 자리를 떠나지 않아도 됨.

연구팀은 화학 반응이 진행되는 동안 X 선으로 나노입자의 구조를 정밀하게 분석했음. 나노입자는 적용된 전압에 따라 두 가지 다른 상태 사이에서 앞뒤로 변한다는 것이 밝혀졌음. 연구팀은 철 입자를 금속 상태와 산화 상태 사이에서 전환할 수 있었음. 인가된 전압은 물질의 산소 이온이 철 나노 입자쪽으로 펌핑되는지 아니면 멀리 떨어져 있도록 하는지를 결정함. 이를 통해 나노입자에 포함된 산소의 양을 제어할 수 있으며, 산소의 양에 따라 나노입자는 두 가지 다른 구조를 형성할 수 있음. 하나는 촉매활성이 낮은 산소가 풍부한 구조이고 다른 하나는 산소가 부족한 구조, 즉 촉매적으로 매우 활동적인 금속성 구조임.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ ("Understanding electrochemical switchability of perovskite-type exsolution catalysts") 지에 게재됨