새로운 촉매는 수소 경제의 핵심이 될 수 있습니다.

[아름이]

새로운 촉매는 수소 경제의 핵심이 될 수 있습니다.
저렴한 촉매는 빛의 에너지를 사용하여 암모니아를 수소 연료로 전환합니다.
날짜:
2022년 11월 25일
원천:
라이스 대학교
요약:
광 활성화 촉매는 저렴한 원료만을 사용하여 암모니아를 청정 연소 수소로 효율적으로 전환합니다.

라이스 대학교 연구원들은 수소 경제를 위한 핵심 광활성 나노물질을 설계했습니다. 저렴한 원자재만을 사용하여 Rice의 Nanophotonics 연구소, Syzygy Plasmonics Inc. 및 Princeton University의 Andlinger Center for Energy and the Environment 팀은 암모니아를 청정 연소 수소 연료로 변환하는 데 빛의 힘만 필요한 확장 가능한 촉매를 만들었습니다.

이 연구는 과학 저널에 오늘 온라인으로 게재되었습니다 .

이 연구는 온실 온난화에 기여하지 않는 무탄소 액체 암모니아 연료에 대한 기반 시설과 시장을 창출하기 위한 정부 및 산업 투자를 따릅니다. 액체 암모니아는 운반하기 쉽고 분자당 1개의 질소와 3개의 수소 원자로 많은 에너지를 담습니다. 새로운 촉매는 이러한 분자를 청정 연소 연료인 수소 가스와 지구 대기의 가장 큰 구성 요소인 질소 가스로 분해합니다. 그리고 전통적인 촉매와 달리 열이 필요하지 않습니다. 대신 햇빛이나 에너지 소모가 많은 LED 등 빛에서 에너지를 수확합니다.

화학 반응의 속도는 일반적으로 온도에 따라 증가하며 화학 생산자들은 산업 규모로 열을 가함으로써 100년 이상 이를 이용했습니다. 수백 또는 수천도까지 대형 반응 용기의 온도를 높이기 위해 화석 연료를 태우면 막대한 탄소 발자국이 발생합니다. 화학 생산업체는 또한 열 촉매에 매년 수십억 달러를 소비합니다. 열 촉매는 강한 열에서 반응하지 않지만 더 빠르게 반응하는 물질입니다.

"철과 같은 전이 금속은 일반적으로 불량한 열촉매입니다."라고 연구 공동 저자인 Rice의 Naomi Halas가 말했습니다. "이 작업은 그들이 효율적인 플라즈몬 광촉매가 될 수 있음을 보여줍니다. 또한 광촉매가 저렴한 LED 광자 소스로 효율적으로 수행될 수 있음을 보여줍니다."

Rice의 공동 저자인 Peter Nordlander는 "이 발견은 대규모 중앙 집중식 공장이 아닌 지역적으로 생산할 수 있는 지속 가능하고 저렴한 수소를 위한 길을 열어줍니다."라고 말했습니다.

최고의 열촉매는 백금과 팔라듐, 로듐, 루테늄과 같은 관련 귀금속으로 만들어집니다. Halas와 Nordlander는 빛 활성화 또는 플라즈몬 금속 나노입자를 개발하는 데 수년을 보냈습니다. 이들 중 최고는 일반적으로은과 금과 같은 귀금속으로 만들어집니다.

2011년에 "핫 캐리어"라고 하는 수명이 짧은 고에너지 전자를 방출하는 플라즈몬 입자를 발견한 후, 그들은 2016년에 핫 캐리어 생성기가 촉매 입자와 결합하여 하이브리드 "안테나 반응기"를 생성할 수 있음을 발견했습니다. 일부는 빛에서 에너지를 수확하고 다른 일부는 에너지를 사용하여 수술 정밀도로 화학 반응을 유도했습니다.

Halas, Nordlander, 그들의 학생 및 협력자들은 안테나 리액터의 에너지 수확 및 반응 속도 절반 모두에 대한 비 귀금속 대안을 찾기 위해 수년 동안 노력해 왔습니다. 새로운 연구는 그 작업의 정점입니다. 여기에서 Halas, Nordlander, 라이스 동문 Hossein Robatjazi, Princeton 엔지니어이자 물리화학자 Emily Carter 등은 구리와 철로 만들어진 안테나-반응기 입자가 암모니아를 변환하는 데 매우 효율적임을 보여줍니다. 구리의 에너지 수확 입자 조각은 가시 광선에서 에너지를 포착합니다.

"빛이 없는 상태에서 구리-철 촉매는 구리-루테늄 촉매보다 약 300배 더 낮은 반응성을 나타냈으며, 이는 루테늄이 이 반응에 더 나은 열촉매라는 점을 감안할 때 놀라운 일이 아닙니다."라고 박사인 Robatjazi가 말했습니다. 현재 휴스턴에 기반을 둔 Syzygy Plasmonics의 수석 과학자인 Halas 연구 그룹의 졸업생입니다. "조명 아래에서 구리-철은 구리-루테늄과 유사하거나 비슷한 효율성과 반응성을 보였습니다.

Syzygy는 Rice의 안테나-리액터 기술을 라이선스했으며 이 연구에는 회사의 상업적으로 이용 가능한 LED 구동 리액터에서 촉매의 확장 테스트가 포함되었습니다. Rice의 실험실 테스트에서 구리-철 촉매는 레이저로 조명되었습니다. Syzygy 테스트는 촉매가 LED 조명 아래에서 실험실 설정보다 500배 더 큰 규모에서 효율성을 유지함을 보여주었습니다.

Halas는 "이것은 LED를 사용한 광촉매가 암모니아로부터 그램 단위의 수소 가스를 생성할 수 있음을 보여주는 과학 문헌의 첫 번째 보고서"라고 말했습니다. "이것은 플라즈몬 광촉매에서 귀금속을 완전히 대체할 수 있는 문을 열어줍니다."

카터는 "화학 부문의 탄소 배출을 크게 줄일 수 있는 잠재력을 감안할 때 플라즈몬 안테나 반응기 광촉매는 추가 연구할 가치가 있다"고 덧붙였다. "이러한 결과는 큰 동기를 부여합니다. 그들은 풍부한 금속의 다른 조합이 광범위한 화학 반응을 위한 비용 효율적인 촉매로 사용될 수 있음을 시사합니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/