수소를 만들기 위한 더 나은 솔루션은 표면에 있을 수 있습니다

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페로브스카이트 산화물, 변화하는 표면층 및 OER을 향해 활성인 철 종 간의 독특한 상호 작용은 활성 및 안정적인 재료 설계를 위한 새로운 길을 열어 우리가 효율적이고 저렴한 녹색 수소 생산에 한 걸음 더 다가갈 수 있도록 합니다. 신용 아르곤 국립 연구소

요약 :
수소 연료가 추진하는 청정 에너지 미래는 물을 안정적이고 효율적으로 분리하는 방법을 찾는 데 달려 있습니다. 그 이유는 수소가 풍부하더라도 그것을 포함하는 다른 물질에서 파생되어야 하기 때문입니다. 그리고 오늘날 그 물질은 종종 메탄 가스입니다. 과학자들은 화석 연료를 사용하지 않고 이 에너지 운반 요소를 분리하는 방법을 찾고 있습니다. 예를 들어 배기관에서 물과 따뜻한 공기만 배출하는 수소 연료 자동차의 길을 열어줄 것입니다.

수소를 만들기위한 더 나은 솔루션은 표면에만있을 수 있습니다.

아르곤, 일리노이 | 게시일: 9년 2021월 XNUMX일

물 또는 H2O는 수소와 산소를 결합합니다. 분자 수소 형태의 수소 원자는 이 화합물에서 분리되어야 합니다. 그 과정은 중요하지만 종종 느린 단계인 산소 발생 반응(OER)에 따라 달라집니다. OER은 물에서 분자 산소를 제거하는 것이며 이 반응을 제어하는 것은 수소 생산뿐만 아니라 배터리에서 발견되는 것을 포함하여 다양한 화학 공정에 중요합니다.

"산소 발생 반응은 많은 공정의 일부이므로 여기에 적용할 수 있는 범위는 매우 넓습니다." — Pietro Papa Lopes, 아르곤 보조 과학자

미국 에너지부(DOE) 아르곤 국립 연구소의 과학자들이 주도한 연구는 OER 속도를 높이는 유망한 유형의 물질인 페로브스카이트 산화물의 형태 변화 품질을 조명합니다. 페로브스카이트 산화물은 모두 유사한 결정 구조를 갖는 다양한 화합물을 포함합니다. 이들은 일반적으로 A-사이트에 La 및 Sr과 같은 알칼리 토금속 또는 란타나이드를 함유하고, B-사이트에 Co와 같은 전이 금속을 함유하고, 화학식 ABO3의 산소와 결합합니다. 이 연구는 재생 가능한 연료를 만들 뿐만 아니라 에너지를 저장하기 위한 새로운 재료를 설계하는 데 사용할 수 있는 통찰력을 제공합니다.

페로브스카이트 산화물은 OER을 유발할 수 있으며 이 역할을 하는 이리듐 또는 루테늄과 같은 귀금속보다 저렴합니다. 그러나 페로브스카이트 산화물은 이러한 금속만큼 활성이 아니며(즉, OER을 가속화하는 데 효율적임) 천천히 분해되는 경향이 있습니다.

연구를 이끈 아르곤 재료과학부의 조교수인 피에트로 파파 로페스(Pietro Papa Lopes)는 “이러한 물질이 어떻게 활동적이고 안정적일 수 있는지 이해하는 것이 우리에게 큰 원동력이 되었습니다. "우리는 이 두 속성 사이의 관계와 그것이 페로브스카이트 자체의 속성과 어떻게 연결되는지 탐구하고 싶었습니다."

이전 연구는 페로브스카이트 재료의 벌크 특성과 이러한 특성이 OER 활동과 어떻게 관련되는지에 중점을 두었습니다. 그러나 연구원들은 더 많은 이야기가 있는지 궁금해했습니다. 결국, 주변 환경과 반응하는 물질의 표면은 나머지 물질과 완전히 다를 수 있습니다. 이와 같은 예는 자연의 어디에나 있습니다. 공기와 만나는 곳에서는 빠르게 갈색으로 변하지만 속은 녹색으로 남아 있는 반으로 자른 아보카도를 생각해 보십시오. 페로브스카이트 재료의 경우 벌크와 다르게 되는 표면은 특성을 이해하는 방법에 중요한 의미를 가질 수 있습니다.

물을 수소와 산소로 분해하는 물 전해조 시스템에서 페로브스카이트 산화물은 물 및 특수 염종으로 구성된 전해질과 상호 작용하여 장치가 작동할 수 있는 인터페이스를 생성합니다. 전류가 가해지면 이 인터페이스는 물 분해 과정을 시작하는 데 중요합니다. “재료의 표면은 산소 발생 반응이 어떻게 진행될 것인지에 대한 가장 중요한 측면입니다. 얼마나 많은 전압이 필요한지, 얼마나 많은 산소와 수소를 생산할 것인지입니다.”라고 Lopes가 말했습니다.

페로브스카이트 산화물의 표면은 나머지 재료와 다를 뿐만 아니라 시간이 지남에 따라 변합니다. "일단 전기화학 시스템에 들어가면 페로브스카이트 표면이 진화하여 얇고 비정질인 필름으로 변합니다."라고 Lopes가 말했습니다. "처음 시작하는 재료와 절대 같지 않습니다."

연구자들은 이론적인 계산과 실험을 결합하여 OER 동안 페로브스카이트 물질의 표면이 어떻게 진화하는지 결정했습니다. 이를 정확하게 수행하기 위해 그들은 란탄 코발트 산화물 페로브스카이트를 연구하고 보다 반응성이 높은 금속인 스트론튬으로 란탄을 "도핑"하여 조정했습니다. 초기 물질에 스트론튬이 더 많이 첨가될수록 표면이 더 빨리 진화하고 OER에 대해 활성화됩니다. 이 과정은 연구원들이 투과 전자 현미경으로 원자 분해능에서 관찰할 수 있었던 과정입니다. 연구원들은 페로브스카이트로부터의 스트론튬 용해와 산소 손실이 이 비정질 표면층의 형성을 주도한다는 것을 발견했으며, 이는 DOE Office of Science 사용자 시설인 Center for Nanoscale Materials를 사용하여 수행된 계산 모델링에 의해 추가로 설명되었습니다.

“페로브스카이트가 OER에 대해 활성화된 이유를 이해하기 위해 마지막으로 누락된 부분은 전해질에 존재하는 소량의 철의 역할을 탐구하는 것이었습니다.”라고 Lopes가 말했습니다. 같은 연구원 그룹은 최근 미량의 철이 다른 비정질 산화물 표면의 OER을 향상시킬 수 있음을 발견했습니다. 일단 그들이 페로브스카이트 표면이 비정질 산화물로 진화한다는 것을 결정하고 나면 철이 왜 그렇게 중요한지 분명해졌습니다.

"전산 연구는 과학자들이 페로브스카이트 표면과 전해질 모두를 포함하는 반응 메커니즘을 이해하는 데 도움이 됩니다."라고 Argonne의 물리학자이자 연구 공동 저자인 Peter Zapol이 말했습니다. “우리는 페로브스카이트 재료의 활성과 안정성 추세를 모두 이끄는 반응 메커니즘에 초점을 맞췄습니다. 이것은 일반적으로 활동에 책임이 있는 반응 메커니즘에만 초점을 맞추는 경향이 있는 컴퓨터 연구에서는 수행되지 않습니다.”

이 연구는 페로브스카이트 산화물의 표면이 단지 몇 나노미터 두께의 코발트가 풍부한 비정질 필름으로 진화했음을 발견했습니다. 철이 전해질에 존재할 때 철은 OER을 가속화하는 데 도움이 되었고, 코발트가 풍부한 필름은 철에 안정화 효과를 주어 표면에서 활성을 유지했습니다.

결과는 페로브스카이트 재료를 설계하기 위한 새로운 잠재적 전략을 제안합니다. Lopes는 훨씬 더 안정적이고 OER을 촉진할 수 있는 XNUMX층 시스템을 만드는 것을 상상할 수 있다고 말했습니다.

Lopes는 "OER은 많은 프로세스의 일부이므로 여기에서 적용할 수 있는 범위가 상당히 넓습니다."라고 말했습니다. "재료의 역학과 표면 공정에 미치는 영향을 이해하는 것이 에너지 변환 및 저장 시스템을 더 좋고 효율적이며 저렴하게 만들 수 있는 방법입니다."

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이 연구는 미국 화학 학회지(Journal of the American Chemical Society)의 24월 XNUMX일 표지 "산소 진화 동안 페로브스카이트 재료의 표면 진화로부터 동적으로 안정적인 활성 사이트"에 발표되고 강조 표시된 논문에 설명되어 있습니다. Lopes와 Zapol 외에도 공동 저자에는 Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dusan Strmcnik, Vojislav Stamenkovic, Nenad Markovic 및 Argonne의 John Mitchell이 있습니다. 시카고 일리노이 대학의 Xue Rui와 Robert Klie; 그리고 Valparaiso 대학의 Haiying He. 이 연구는 DOE의 기초 에너지 과학실의 지원을 받았습니다.

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아르곤 국립 연구소 소개
아르곤 국립 연구소는 과학과 기술의 국가적 문제에 대한 해결책을 찾고 있습니다. 미국 최초의 국립 연구소 인 Argonne은 거의 모든 과학 분야에서 최첨단 기본 및 응용 과학 연구를 수행합니다. 아르곤 연구원들은 수백 개의 회사, 대학, 연방, 주 및 지방 기관의 연구원들과 긴밀히 협력하여 특정 문제를 해결하고 미국의 과학적 리더십을 발전 시키며 더 나은 미래를 준비 할 수 있도록 지원합니다. 60 개 이상의 국가에서 온 직원으로 구성된 Argonne은 UChicago Argonne, LLC가 미국 에너지 부 과학 국을 위해 관리합니다.

아르곤의 나노 스케일 재료 센터 정보

나노 규모 재료 센터는 DOE 과학 사무소에서 지원하는 나노 규모의 학제 간 연구를 위한 최고의 국가 사용자 시설인 XNUMX개의 DOE 나노 규모 과학 연구 센터 중 하나입니다. 함께 NSRC는 나노스케일 재료를 제조, 처리, 특성화 및 모델링할 수 있는 최첨단 기능을 연구원에게 제공하고 국가 나노기술 이니셔티브의 가장 큰 인프라 투자를 구성하는 보완 시설 세트로 구성됩니다. NSRC는 DOE의 Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia 및 Los Alamos 국립 연구소에 있습니다. DOE NSRC에 대한 자세한 내용은 다음을 방문하십시오. https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

미국 에너지 부 과학 국 (Office of Science)은 미국 물리 과학 기초 연구의 가장 큰 단일 지원자이며 우리 시대의 가장 시급한 과제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 자세한 내용은 https://energy.gov/science .

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연락처 :
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