수소 대량 생산을 위해 새롭게 개발된 하이드로겔 나노복합체

27년 2023월 XNUMX일(나노 워크 뉴스기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 현택환 교수팀이 수소 대량생산을 위한 새로운 광촉매 플랫폼을 개발했다. 광촉매 플랫폼에 대한 그룹의 연구는 필름이나 패널 유형과 같은 기존 수소 생산 플랫폼에 비해 명확한 이점을 갖춘 효율적인 수소 발생 반응을 가능하게 하는 부유형 광촉매 매트릭스의 개발로 이어졌습니다. 이 연구는 다음에서 출판되었습니다. 자연 나노 기술 (“Floatable photocatalytic hydrogel nanocomposites for large-scale solar hydrogen production”). A. 부유형 광촉매 플랫폼은 이중층 구조, 광촉매층, 지지층으로 구성됩니다. B. 플랫폼의 다공성 구조. C. 플랫폼의 다공성 구조는 부유성을 특징으로 합니다. (사진=기초과학연구원) 최근 환경오염, 기후변화 등 전 세계적인 문제로 인해 대체에너지의 중요성이 높아지고 있다. 대체 에너지원에 대한 여러 후보 중에서 광촉매를 통해 수확된 수소 에너지는 지속 가능한 녹색 에너지 생산 측면에서 특히 강조됩니다. 이에 따라 광촉매의 본질적인 반응효율을 높이기 위한 많은 연구개발이 이루어져 왔다. 그러나 실용화와 상용화에 중요한 광촉매 시스템의 폼팩터에 대한 연구는 아직 활발히 이루어지지 않고 있다. 일반적으로 현재 시스템은 촉매 분말이나 나노입자를 물속에 잠기는 미립자 시트형, 필름형, 평면 패널형 플랫폼과 같은 다양한 표면에 고정합니다. 또한 촉매 침출, 불량한 물질 전달 및 역반응과 같은 실질적인 문제에 직면해 있습니다. 또한 생성된 수소를 물에서 분리하고 수집하기 위해 추가 장치가 필요하므로 장치가 복잡해지고 비용이 증가합니다. IBS 나노입자연구단 현 교수팀은 효율적인 수소 생산을 위해 물 위에 떠 있는 새로운 형태의 광촉매 플랫폼을 설계했다. 이 새로운 플랫폼은 상부 광촉매 층과 하부 지지층으로 구성된 이중층 구조를 가지고 있습니다(그림 1A). 두 층 모두 플랫폼에 높은 표면 장력을 부여하는 다공성 구조 폴리머로 구성됩니다(그림 1B). 또한 플랫폼은 내부에 가스가 채워져 있는 고체 물질인 크라이오 에어로겔(cryo aerogel) 형태로 제작되어 밀도가 낮다. 그 결과, 이 엘라스토머는-하이드로 겔 광촉매가 내장된 물질은 물 위에 떠 있을 수 있습니다(그림 1C). 이 플랫폼은 광촉매 수소 발생 반응에서 분명한 이점을 보여줍니다. 첫째, 물에 의한 빛 감쇠가 방지되어 효율적인 태양 에너지 변환이 가능합니다. 둘째, 생성물인 수소 가스는 공기 중으로 쉽게 확산될 수 있어 역산화 반응을 피하고 높은 반응 수율을 유지할 수 있습니다. 셋째, 다공성으로 인해 엘라스토머-하이드로겔 매트릭스 내부에 위치한 촉매에 물이 쉽게 공급될 수 있습니다. 마지막으로 촉매는 매트릭스 내부에 안정적으로 고정되어 침출 문제 없이 장기간 작동됩니다. 연구진은 기존 수중 플랫폼에 비해 부유식 플랫폼의 우수한 수소 진화 성능을 실험적으로 입증했다. 또한, 잠재적인 산업화에 필수적인 플랫폼의 확장성도 자연광 하에서 입증됐다. 구리단일원자와 티타니아 촉매를 이용한 부유형 광촉매 플랫폼을 통해 약 80mL의 수소를 1mXNUMX 면적에서 생산할 수 있음을 확인했다.2. 다양한 미생물과 부유물이 포함된 해수에서 2주 동안 운영한 후에도 플랫폼의 수소 발생 성능은 저하되지 않았습니다. 김 교수는 “제안한 플랫폼은 폴리에틸렌테레프탈레이트 병 등 생활폐기물을 용해하는 용액에서도 수소를 생산할 수 있다”고 말했다. 결과적으로 이 플랫폼은 폐기물 재활용을 위한 솔루션이 되어 환경친화적인 사회에 기여할 수 있습니다.” 특히, 이 연구는 단지 수소 생산에만 국한되지 않는 효율적인 광촉매를 위한 일반화된 플랫폼을 제시합니다. 전체 플랫폼의 부유형 에어로겔 물질 특성을 변경하지 않고 다양한 원하는 용도로 촉매 성분을 교체하는 것이 가능합니다. 이는 산소 발생 반응, 과산화수소 생산 및 다양한 유기 화합물 생성과 같은 다른 광촉매 반응에 대한 플랫폼의 광범위한 적용 가능성을 보장합니다. “이 연구는 광촉매 분야에서 큰 진전을 이루었으며 세계적 수준의 성능으로 바다에서 녹색 수소 생산의 잠재력을 보여줍니다. 우리 플랫폼의 광촉매 분야에서의 독특한 소재 특성, 고성능 및 광범위한 적용성은 의심할 여지 없이 대체 에너지의 새로운 장을 열 것입니다.”라고 현 교수는 말했습니다.

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• 출처: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62908.php