큰 진전: 더 깨끗한 수소 에너지로 이어질 수 있는 새로운 돌파구

[이매진]

큰 진전: 더 깨끗한 수소 에너지로 이어질 수 있는 새로운 돌파구

https://scitechdaily.com/a-big-step-forward-new-breakthrough-could-lead-to-cleaner-hydrogen-energy/

A Big Step Forward: New Breakthrough Could Lead to Cleaner Hydrogen Energy

주제:브룩헤이븐 국립 연구소암사슴에너지화석 연료친환경 에너지캔자스대학교

캔자스 대학교 2023 년 7월 10일

수소 에너지는 보다 친환경적인 미래를 위한 큰 잠재력을 지닌 떠오르는 깨끗하고 지속 가능한 에너지원입니다. 우주에서 가장 풍부한 원소인 수소는 재생 가능한 자원에서 생산할 수 있으며 발전, 운송 및 산업 응용 분야를 위한 다목적 연료로 사용할 수 있습니다. 그것의 연소는 부산물로 수증기만 생성하므로 온실 가스 배출량을 줄이고 기후 변화를 완화할 수 있는 유망한 솔루션이 됩니다.

캔자스 대학교 와 미국 에너지부 브룩헤이븐 국립 연구소 의 과학자들은 수소와 산소 분자를 분리하여 화석 연료를 사용하지 않고 순수한 수소를 생산하는 데 상당한 진전을 이루었습니다.

펄스 방사선 분해 실험의 결과는 중요한 "물 분해" 촉매 그룹에 대한 완전한 반응 메커니즘을 드러냈습니다. KU와 Brookhaven 팀의 이러한 발전으로 재생 가능 에너지원에서 순수한 수소를 생성하는 데 더 가까워졌습니다. 이는 잠재적으로 국가와 세계를 위해 보다 지속 가능한 환경에 기여할 수 있습니다.

그들의 연구 결과는 최근 National Academy of Sciences의 Proceedings 에 발표되었습니다 .

"수소와 같은 청정 연료를 만드는 화학 반응이 어떻게 작동하는지 이해하는 것은 매우 어려운 일입니다. 이 논문은 제가 KU에서 첫 해에 시작한 프로젝트의 정점을 나타냅니다."라고 공저자인 James Blakemore 화학과 부교수가 말했습니다. Lawrence에 대한 연구는 발견의 기초를 형성합니다.

"우리 논문은 수소 생성을 위한 특정 촉매가 어떻게 작동하는지 이해하기 위해 전문 기술에서 어렵게 얻은 데이터를 제시합니다."라고 그는 말했습니다. “여기 KU와 Brookhaven에서 사용된 기술은 상당히 전문적입니다. 이를 구현함으로써 구성 부품, 양성자 및 전자에서 수소를 만드는 방법에 대한 전체적인 그림을 얻을 수 있었습니다.”

KU에서 Blakemore의 연구는 돌파구의 기초였습니다. 그는 가속기 에너지 연구 센터에서 펄스 방사선 분해 및 기타 기술을 사용한 연구를 위해 Brookhaven으로 작업을 가져갔습니다. Brookhaven은 전국에서 펄스 방사선 분해 실험을 가능하게 하는 장비를 갖춘 두 곳 중 하나입니다.

이 논문의 공동 저자인 Brookhaven 화학자 Dmitry Polyansky는 “완전한 촉매 주기를 완전히 이해할 수 있는 경우는 매우 드뭅니다. "이러한 반응은 여러 단계를 거치며 그 중 일부는 매우 빠르고 쉽게 관찰할 수 없습니다."

블레이크모어와 그의 동료들은 간단히 [Cp*Rh]인 펜타메틸사이클로펜타디에닐 로듐 착물을 기반으로 하는 촉매를 연구하여 발견했습니다. 그들은 이 조합이 작업에 적합하다는 것을 보여주는 이전 작업의 힌트 때문에 희귀 금속 로듐과 쌍을 이루는 Cp*(CP-"스타"로 발음) 리간드에 초점을 맞췄습니다.

Blakemore는 "우리의 로듐 시스템은 펄스 방사선 분해의 좋은 표적임이 밝혀졌습니다."라고 말했습니다. “Cp* 리간드라고 불리는 것은 대부분의 유기 금속 화학자, 그리고 실제로 모든 종류의 화학자에게 친숙합니다. 그들은 많은 촉매를 지원하는 데 사용되며 촉매 순환과 관련된 다양한 종을 안정화할 수 있습니다. 이 논문의 한 가지 중요한 발견은 Cp* 리간드가 어떻게 수소 발생의 화학에 밀접하게 관련될 수 있는지에 대한 신선한 통찰력을 제공합니다.”

그러나 Blakemore는 이번 발견이 깨끗한 수소를 생산하는 것 외에 다른 개선된 화학 공정으로 이어질 수 있다고 강조했습니다.

고려대 연구진은 “공통 리간드인 Cp*가 어떻게 비정상적인 반응을 일으킬 수 있는지에 대한 연구를 화학자들이 볼 수 있기를 바란다”고 말했다. “이 비정상적인 반응성은 수소 이야기와 관련이 있지만 Cp*는 매우 다양한 촉매에서 발견되기 때문에 실제로는 이것보다 더 큽니다. 화학자들은 일반적으로 촉매가 금속을 기반으로 한다고 생각합니다. 이런 식으로 생각하면 새로운 분자를 만드는 경우 금속은 구성 요소를 하나로 모으는 핵심 행위자입니다. 우리 논문은 이것이 항상 그런 것은 아니라는 것을 보여줍니다. Cp*는 제품을 형성하기 위해 조각을 함께 꿰매는 데 관여할 수 있습니다.”

Blakemore는 이 논문이 Cp* 리간드에 의존하는 다른 촉매 및 시스템의 개선으로 이어지는 시작점이 될 수 있기를 바란다고 말했습니다. National Science Foundation과 DOE Office of Science의 지원을 받은 이 돌파구는 산업 화학에 더 광범위하게 적용될 수 있습니다. 블레이크모어는 현재 이 연구에서 사용된 것과 같은 기술을 핵연료 재활용 및 악티나이드 종 취급에 대한 새로운 접근법 개발에 적용하는 작업을 하고 있습니다.

대학원 및 학부 수준의 고려대 학생들도 돌파구를 뒷받침하는 연구에 참여했습니다.

Blakemore는 “이 프로젝트는 학생들에게 매우 중요한 교육 수단이었습니다. “제1 저자인 대학원생 Wade Henke는 현재 Argonne National Laboratory에서 박사후 연구원으로 근무하고 있습니다. 대학원생 Yun Peng은 두 번째 저자이며 Brookhaven과의 공동 작업을 시작했습니다. 둘 다 이제 박사 학위를 마쳤습니다. 학부생도 수년에 걸쳐 이 프로젝트에 기여하여 이 백서에서 나온 이야기의 틀을 잡는 데 사용한 새로운 복합성과 통찰력을 제공했습니다.

"대체로 저는 이 프로젝트가 성공적인 프로젝트이며 수년에 걸쳐 진정한 팀 노력을 기울인 프로젝트라고 생각합니다."

참조: Wade C. Henke, Yun Peng, Alex A. Meier, Etsuko Fujita, David C. Grills, Dmitry E. Polyansky의 "[Cp*Rh] 복합체를 사용한 수소 발생에서 금속 및 리간드 양성자화 종의 기계적 역할" 및 James D. Blakemore, 2023년 5월 15일, 국립 과학 아카데미 회보 .
DOI: 10.1073/pnas.2217189120