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Aug 22, 2023

잠재적인 청정 에너지를 위한 분자 미스터리 솔루션으로 눈에 띄는 금

Penn State가 주도하는 연구팀은 수소 유출이라는 현상을 뒷받침하는 분자 메커니즘을 밝혔습니다. 이러한 이해를 통해 보다 효율적이고 효과적인 수소 저장이 가능해질 수 있습니다.

Penn State가 주도하는 연구팀은 수소 유출이라는 현상을 뒷받침하는 분자 메커니즘을 밝혔습니다. 이러한 이해는 청정 에너지 사용을 위한 보다 효율적이고 효과적인 수소 저장으로 이어질 수 있습니다. 현재 방법에서는 수소를 액체 형태로 저장하려면 상당한 에너지와 공간이 필요합니다. 신용: Hirun/Getty 이미지. 판권 소유.

2023년 8월 31일

애슐리 웨너스Herron

펜실베니아주 유니버시티 파크 — 수소 유출은 말 그대로입니다. 실리카와 같은 열적으로 안정한 산화물에 고정된 작은 금속 나노입자는 자체적으로 소모되지 않고 화학 반응을 가속화하는 데 사용되는 물질인 주요 촉매 클래스를 구성합니다. 촉매 반응은 일반적으로 반응성이 높고 값비싼 금속에서 발생하지만 일부 촉매에서는 수소 원자와 같은 등가물이 문자 그대로 금속에서 산화물로 유출됩니다. 이러한 산화수소 종을 "수소 유출"이라고 합니다.

1964년에 처음 설명된 이 호기심은 최근 청정 에너지를 위해 수소를 활용하는 잠재적인 경로로 더 많은 주목을 받았습니다. 그러나 Penn State의 화학 공학 및 화학 교수인 Bert Chandler에 따르면 이는 큰 진전을 이루지 못했다고 합니다. 이는 연구자들이 거의 60년 동안 수소 유출을 확인할 수 있었지만 지금까지 누구도 이를 정량화하고 현상을 뒷받침하는 메커니즘을 설명할 수 없었기 때문입니다.

Chandler는 약간의 행운과 많은 노력을 통해 Penn State가 주도하는 연구팀이 수소 유출이 발생하는 방법과 이유를 발견하고 프로세스에 대한 최초의 정량적 측정을 제공했다고 말했습니다. 그들은 Nature Catalytic에 연구 결과를 발표했습니다.

Chandler는 이번 연구가 수소 활성화 및 저장을 더 잘 이해하고 개발할 수 있는 기회를 제공한다고 말했습니다. 기존의 수소 저장에는 액체 상태를 유지할 수 있을 만큼 수소를 냉각시키는 데 상당한 양의 에너지가 필요합니다. 그러나 연구팀은 독특한 금-티타니아 시스템을 통해 더 적은 에너지를 필요로 하는 더 높은 온도에서 수소 분자를 수소 원자로 효과적으로, 효율적으로, 가역적으로 분해할 수 있음을 입증했습니다. 이는 수소 유출을 유도하는 데 필요한 과정입니다.

논문 교신 저자인 Chandler는 “이제 우리는 수소 유출이 어떻게 작동하는지, 왜 작동하는지, 무엇이 작동하는지 설명할 수 있습니다.”라고 말했습니다. “그리고 처음으로 이를 측정할 수 있게 되었습니다. 이것이 바로 핵심입니다. 일단 정량화하면 그것이 어떻게 변하는지 확인할 수 있고, 이를 제어하는 ​​방법을 파악하고, 이를 새로운 문제에 적용하는 방법을 알아낼 수 있습니다.”

수소 유출 시스템에서 수소 가스는 반응하여 수소 원자 등가물(양성자와 전자)로 분리되지만 일반적인 레이아웃과는 약간 다른 배열입니다. 이 시스템에서 양성자는 물질 표면에 달라붙는 반면 전자는 반도체 산화물의 표면 근처 전도대로 들어갑니다. Chandler에 따르면 연구원들은 청정 연료 및 수소 저장으로 사용하기 위해 원자를 변환하는 것과 같은 보다 진보된 화학 응용 프로그램을 테스트하는 데 이를 사용하는 방법을 배우기를 희망한다고 말했습니다.

"반도체 조각은 수소 원자 등가물이 표면에 양성자를 갖고 표면 아래에 전자를 갖기 때문에 중요합니다. 그들은 여전히 ​​서로 가깝지만 전도성 표면에 의해 분리되어 있습니다."라고 Chandler는 말했습니다. 이렇게 작은 분리로 큰 비용을 지불하지 않아도 된다고 설명했습니다. 일반적으로 전하 분리에 필요한 에너지 페널티. “거의 모든 흡착 시스템의 경우 흡착을 통해 가스 분자를 고체에 넣는 데 필요한 에너지 손실을 극복하려면 유리한 열 흡착이 필요합니다. 엔트로피적으로 불리하다.”

엔트로피는 프로세스를 진행하는 데 필요한 사용할 수 없는 열 에너지를 나타냅니다. 즉, 엔트로피는 분자를 고체 상태로 유지하는 에너지를 사용할 수 없을 때 얼음이 물에 녹아서 하위 상태로 분산되는 에너지입니다. 에너지는 균형을 필요로 하며 균형에 대한 엔트로피의 기여를 측정하는 것은 이러한 시스템에서 거의 불가능하다고 Chandler는 말했습니다.