﻿미네랄 젤과 '결정질-비정질' 이중상 나노알루미늄 합금 기반의 두 가지 새로운 수소 생산 촉매

미네랄 젤과 '결정질-비정질' 이중상 나노알루미늄 합금 기반의 두 가지 새로운 수소 생산 촉매 날짜: 2022년 12월 1일 원천: 홍콩 시립대학교 요약: 청정 수소 에너지는 화석 연료에 대한 좋은 대안이며 탄소 중립을 달성하는 데 중요합니다. 전 세계의 연구원들은 특히 관련된 촉매를 개선하여 효율성을 높이고 수소 생산 비용을 낮추는 방법을 찾고 있습니다. 최근 한 연구팀은 2차원 미네랄 젤 나노시트를 기반으로 하며 귀금속을 포함하지 않는 새로운 초안정성 수소 발생 반응(HER) 전기 촉매를 개발했습니다. 촉매는 대규모로 생산할 수 있으며 향후 수소 가격을 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다. 청정 수소 에너지는 화석 연료에 대한 좋은 대안이며 탄소 중립을 달성하는 데 중요합니다. 전 세계의 연구원들은 특히 관련된 촉매를 개선하여 효율성을 높이고 수소 생산 비용을 낮추는 방법을 찾고 있습니다. 최근 홍콩 시립대학교(CityU)의 연구팀은 2차원 미네랄 젤 나노시트를 기반으로 하며 귀금속을 포함하지 않는 새로운 초안정성 수소 발생 반응(HER) 전극 촉매를 개발했습니다. 촉매는 대규모로 생산할 수 있으며 향후 수소 가격을 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다. 전기화학적 수소 발생 반응(HER)은 널리 사용되는 수소 생성 방법입니다. 그러나 상업용 HER 전기촉매는 값비싼 귀금속으로 만들어집니다. 한편, 단일 원자 촉매는 높은 활성, 최대 원자 효율 및 최소화된 촉매 사용으로 인해 촉매 HER 응용 분야에서 유망한 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 단일 원자 촉매의 기존 제조 공정은 복잡합니다. 일반적으로 대상 단일 원자 금속을 기질 전구체에 도입한 후 보통 700℃ 이상의 고온에서 열처리하는 과정을 포함하며, 이는 많은 에너지와 시간을 필요로 합니다. 이와 관련하여 CityU 재료 과학자들이 공동으로 이끄는 연구팀은 귀금속이 없는 미네랄 하이드로겔 나노시트를 전구체로 사용하는 고효율 HER 단일 원자 전기 촉매를 생산하는 혁신적이고 비용 효율적이며 에너지 효율적인 방법을 개발했습니다. . "다공질 구조 및 탄소와 같은 다른 일반적인 단일 원자 기판 전구체와 비교할 때 미네랄 하이드로겔은 원료의 용이한 가용성, 단순하고 환경 친화적인 합성 절차 및 연구를 이끈 CityU의 기계공학과(MNE) 및 재료공학과(MSE) 석좌교수인 Lu Jian 교수는 "온화한 반응 조건"이라고 말했습니다. 그들의 전기 촉매 전구체는 간단한 방법을 사용하여 준비됩니다. 먼저, PMo(Polyoxometalate acid) 용액과 철 이온(Fe 3+ )을 실온에서 혼합하여 새로운 2차원 철-인몰리브덴산 나노시트를 생성합니다. 과도한 물이 원심분리로 제거된 후 나노시트는 유기 분자가 없는 미네랄 하이드로겔이 됩니다. 이 공정은 일반적으로 단일 원자 기질 전구체의 자가 조립을 위해 고온 및 고압 및 더 긴 시간을 필요로 하는 이전에 보고된 공정보다 훨씬 더 편리하고 경제적입니다. 이 미네랄 겔 전구체의 추가 인산염 처리(500℃에서) 후 단일 철 원자 분산 이종 나노시트 촉매("Fe/SAs@Mo-based-HNSs")가 형성되어 시간 소모적인 제조 공정을 피합니다. 기판에 단일 원자를 로딩합니다. 실험 결과 새로운 촉매는 HER에서 우수한 전기촉매 활성과 장기 내구성을 나타내어 10mA cm- 2 에서 과전압이 38.5mV에 불과 하고 최대 200전류 밀도에서 600시간 이상 성능 저하 없이 초안정성을 나타냄을 확인했습니다. mA cm -2 . "이것은 비귀금속 HER 전기 촉매에 의해 달성된 최고의 성능 중 하나입니다."라고 Lu 교수는 말했습니다. "원자 분산 이종 촉매를 합성하기 위해 미네랄 겔을 사용하는 독특한 아이디어는 장기적으로 수소 생산 비용을 낮추는 데 도움이 될 수 있는 저렴하고 효율적인 촉매의 확장 가능한 생산의 다음 단계에 중요한 이론적 기초와 방향을 제공합니다. " 그들의 연구 결과는 과학 저널인 Nature Communications 에 "2차원 광물 하이드로겔 유래 단일 원자 고정 이종 구조(ultrastable hydrogen evolution)"라는 제목으로 게재되었습니다. 이 논문의 첫 번째 저자는 CityU의 Lyu Fucong 박사입니다. 교신 저자는 Lu 교수, MSE 부교수 Li Yangyang 박사, Harbin Institute of Technology의 과학 대학 조교수 Sun Ligang 박사입니다. 이 연구는 심천-홍콩 과학 기술 혁신 협력구 심천 공원 프로젝트, 중국 국가 핵심 R&D 프로그램, 중국 국립 자연과학 재단, 광동 기초 및 응용 기초 연구 재단, 과학, 기술 및 Shenzhen Municipality의 혁신 위원회, CityU의 국립 귀금속 재료 공학 연구 센터의 홍콩 지부를 통한 홍콩 혁신 및 기술 위원회. 상업용 백금 기반 전기 촉매의 높은 비용 문제를 해결하기 위해 Lu 교수가 이끄는 팀은 최근 또 다른 돌파구를 마련했습니다. 합리적인 나노 구조의 합금 설계를 통해 저비용 고성능 전기 촉매를 개발하는 솔루션을 제공했습니다. 루 교수팀은 결정상과 비정질상을 동시에 갖는 합금 나노구조체에 대한 심도 있는 연구를 진행해왔다. 그들은 나노결정상에서 국지적인 화학적 불균일성, 단거리 질서 및 심각한 격자 왜곡이 촉매에 적용하기에 바람직한 반면, 비정질상은 수소 발생 반응을 위한 낮은 에너지 장벽으로 풍부한 활성 사이트를 제공할 수 있음을 발견했습니다. 따라서 그들은 수소 생산을 위한 우수한 전기 촉매가 될 이중상 합금을 설계하고 구성하는 데 연구 노력을 기울였습니다. 그들은 열역학에 기초한 새로운 합금 및 나노구조 설계 전략을 제안했습니다. 첫째, 비정질 형성능(GFA)에 따른 "결정-비정질" 이중상 형성의 조성 범위를 예측하였다. 그런 다음, 마그네트론 동시 스퍼터링의 손쉬운 방법을 사용하여 "결정질-비정질" 이중상 나노구조를 가진 알루미늄 기반 합금 촉매를 성공적으로 준비했습니다. 이러한 나노구조 덕분에 새로운 촉매는 10mA cm -2 에서 과전압이 28.8mV에 불과한 상업용 백금 기반 전기촉매보다 알칼리성 용액에서 더 나은 전기촉매 성능을 보였다 . "이 새로운 알루미늄 기반 합금 촉매에서 우리는 귀금속 성분으로 백금보다 저렴한 루테늄을 사용합니다. 따라서 상업용 백금 기반 전기 촉매보다 비용이 적게 듭니다."라고 Lu 교수는 말했습니다. "그리고 수소 발생과는 별도로 나노 이중상 전기 촉매 메커니즘은 다른 촉매 시스템에 적용될 수 있습니다. '크리스탈 유리' 나노 구조 디자인은 차세대 촉매 개발을 위한 새로운 접근 방식을 제공합니다." 출처 : <a href="https://www.sciencedaily.com/" target="_blank" class="ke-link">https://www.sciencedaily.com/</a>