나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 상하이(上海) 고등(高等) 연구원 양후이(楊輝) 연구원 연구팀은 미국 케이스웨스턴리저브대학교(Case Western Reserve University) 다이리밍(戴黎明) 교수 연구팀과 공동 연구를 실행하여 수소 에너지 연구 분야에서 혁신 성과를 취득하였으며, 카본 결함 구동 백금 원자 그룹의 자발적인 침적 관련 새로운 방법을 개발하고 물에 대한 전기 분해를 통한 수소 제조용 음극 Pt 용량을 대폭 감소시키는데 성공하여 이슈가 되고 있음.

수소 에너지를 발전시키는 "초심"은 재생 가능한 에너지 제조 기술에 기반 하여 물에 대한 전기 분해를 통해 환경 친화적인 수소를 제조하는데 있었지만 높은 귀금속 촉매 용량은 양성자 교환 막을 이용하여 물에 대한 전기 분해로 수소를 제조하는 기술 응용에서 원가가 높은 문제점을 해결하지 못하는 주요 원인 중의 하나가 되어 물에 대한 전기 분해를 통해 수소를 제조하는 기술 응용을 제약하고 있는 상황임.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 신형의 카본 결함 자발 침적 방법을 이용하여 결함 그래핀이 로드한 분산성이 높고, 초소형(<1nm) 특징을 보유하고, 안정적인 Pt 원자 레벨 클러스터(Pt-AC)를 기반으로 한 전기 분해 물로 수소를 방출(HER)하는 전기 촉매를 개발하였음.

연구팀은 관련 이론 연구를 통해 완벽한 6원 링 카본 위치 점에 비해 결함 카본 위치 점은 더욱 낮은 표면 기능 함수, 더욱 높은 환원 능력을 보유하고 있기 때문에 결함 위치 점에서 우선적으로 Pt 이온 자발 침적을 촉발시킨다는 점을 입증하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 카본 결함과 Pt 간의 더욱 강한 결합 능력은 자발 환원 Pt 원자 이전을 효과적으로 제한하기 때문에 초소형 Pt-AC 형성과 안정성을 보장한다는 점을 발견하였음.

연구팀은 "상하이(上海) 광원(光源)"의 "싱크로트론 방사 시스템"을 통해 Pt-AC와 카본 결함 사이에는 비교적 강한 전자 역할이 존재하여 전통적인 Pt 나노 입자와 다른 독특한 전자 구조를 보유하고 있다는 점을 입증하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 Pt-AC는 우수한 HER 전기 촉매 성능을 나타내고 있으며 전통적인 Pt/C 촉매에 비해 질량 대비 활성, Pt 원자 이용 효율성과 안정성이 모두 대폭 향상된다는 점을 발견하였음.

동시에 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 연구팀이 조립한 양성자 교환 막을 이용하여 물에 대한 전기 분해를 실행하는 장치는 암페어 스케일의 수소 생성 전류를 실현할 수 있을 뿐만 아니라 음극 Pt 용량을 약 1/10 정도 감소시킬 수 있고 우수한 안정성을 나타낼 수 있다는 점을 입증하였음.

연구팀은 이번 연구 성과 취득을 통해 수소 에너지 분야 발전을 추진하고, 수소 에너지 경제 발전을 추진하는데 필요한 중요한 기술 수단을 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Journal of the American Chemical Society, JACS’ ("Carbon-Defect Driven Electroless Deposition of Pt Atomic Clusters for Highly Efficient Hydrogen Evolution")에 게재됨.