새로운 나노 입자 및 가열 전략으로 온도 변동을 청정 에너지로 변환

[아름이]

새로운 나노 입자 및 가열 전략으로 온도 변동을 청정 에너지로 변환
날짜:
2023년 1월 11일
원천:
홍콩 시립대학교
요약:
초전기 촉매(pyro-catalysis)는 환경 온도 변동을 수소와 같은 청정 화학 에너지로 변환할 수 있습니다. 그러나 광촉매와 같은 보다 일반적인 촉매 전략과 비교할 때 열 촉매는 주변 환경의 느린 온도 변화로 인해 비효율적입니다. 최근에 한 팀은 국소화된 플라즈몬 열원을 사용하여 훨씬 빠르고 효율적인 열 촉매 반응을 촉발하여 열 촉매 물질을 빠르고 효율적으로 가열하고 냉각할 수 있도록 했습니다. 이 발견은 생물학적 응용, 오염 물질 처리 및 청정 에너지 생산을 위한 효율적인 촉매 작용을 위한 새로운 길을 열어줍니다.

초전기 촉매(pyro-catalysis)는 환경 온도 변동을 수소와 같은 청정 화학 에너지로 변환할 수 있습니다. 그러나 광촉매와 같은 보다 일반적인 촉매 전략과 비교할 때 열 촉매는 주변 환경의 느린 온도 변화로 인해 비효율적입니다. 최근에 홍콩 시립 대학(CityU)의 연구원들이 공동으로 이끄는 팀은 국소화된 플라즈몬 열원을 사용하여 훨씬 더 빠르고 효율적인 열 촉매 반응을 일으켜 열 촉매 물질을 빠르고 효율적으로 가열하고 냉각할 수 있도록 했습니다. 아래에. 이 발견은 생물학적 응용, 오염 물질 처리 및 청정 에너지 생산을 위한 효율적인 촉매 작용을 위한 새로운 길을 열어줍니다.

파이로-촉매는 온도 변동에 의해 유도된 초전기 재료의 표면 전하에 의해 유발되는 촉매 작용을 말합니다. 환경에서 폐기물 열 에너지를 수확하는 친환경 자체 동력 촉매 기술입니다. 청정 에너지 생산 및 활성 산소 종 생성에 대한 관심이 높아지고 있으며 소독 및 염색 처리에 추가로 사용할 수 있습니다.

그러나 현재 사용 가능한 대부분의 초전성 재료는 주변 온도가 시간이 지남에 따라 크게 변하지 않으면 효율적이지 않습니다. 환경 온도 변화율이 종종 제한되기 때문에 파이로 촉매 효율을 높이는 보다 실용적인 방법은 온도 순환 횟수를 늘리는 것입니다. 그러나 기존의 가열 방법을 사용하여 짧은 시간 간격 내에 열 촉매에서 다중 열 순환을 달성하는 것은 큰 도전입니다.

다중 열 순환의 과제

CityU의 재료 과학 및 공학(MSE) 부교수인 Lei Dangyuan 박사가 공동으로 이끄는 연구팀은 최근 초전기 재료와 귀금속 나노 재료의 국부적 열 플라즈몬 효과를 결합하는 새로운 전략을 사용하여 이 장애물을 극복했습니다. .

자유 전자의 집합적 진동을 지원하는 플라즈몬 나노구조는 빛을 흡수하여 빠르게 열로 변환할 수 있습니다. 나노 스케일 크기는 주변 환경에 대한 상당한 열 손실 없이 한정된 부피 내에서 빠르고 효과적인 온도 변화를 허용합니다. 결과적으로 열플라즈몬 나노구조체에서 발생하는 국부적인 열은 매우 짧은 시간 간격으로 외부의 빛 조사에 의해 쉽게 미세 조정되고 켜지거나 꺼질 수 있다.

연구팀은 실험에서 티탄산바륨(BaTiO3 ) 나노입자 라고 불리는 전형적인 열촉매 물질을 선택했다 . 산호와 같은 BaTiO 3 나노 입자는 플라즈몬 열원으로 금 나노 입자로 장식되어 있습니다. 금 나노입자는 광자를 펄스 레이저에서 직접 열로 변환할 수 있습니다. 실험 결과는 금 나노입자가 주변 온도를 올리지 않고 빠르고 역동적이며 제어 가능한 국소 열원으로 작용하여 BaTiO 3 나노입자의 전체 열촉매 반응 속도를 눈에 띄게 효율적으로 증가시킨다는 것을 보여주었습니다.

국소 열원으로서의 금 나노입자

이 전략을 통해 팀은 높은 열 촉매 수소 생산 속도를 달성하여 열 촉매의 실제 응용 개발을 가속화했습니다. 플라즈몬 초전기 나노 반응기는 532nm 파장의 나노초 레이저 조사 하에서 열-플라즈몬 국소 가열 및 냉각을 통해 약 133.1±4.4μmol·g-1·h-1의 가속된 열촉매 수소 생산 속도를 입증했다.

또한, 실험에 사용된 나노초 레이저의 반복률은 10Hz로, 이는 10회의 가열 및 냉각 사이클을 달성하기 위해 초당 10개의 펄스의 빛이 촉매에 조사되었음을 의미합니다. 이는 레이저 펄스 반복률을 높이면 향후 초전 촉매 성능이 향상될 수 있음을 의미한다.

연구팀은 실험 결과가 다른 광열 재료와 함께 혁신적인 초전 복합 시스템을 설계함으로써 열 촉매를 개선하기 위한 새로운 접근 방식을 열었다고 믿고 있습니다. 이러한 상당한 진전은 오염 물질 처리 및 청정 에너지 생산에 열촉매의 향후 적용을 보다 실현 가능하게 만들 것입니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/