나노구조 니켈 규화물은 녹색 수소에 대한 가능성을 보여줍니다

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바람이나 태양의 전기 에너지는 우수한 연료이자 에너지 운반체인 수소에 화학 에너지로 저장될 수 있습니다. 그러나 이를 위한 전제조건은 저렴한 촉매를 사용하여 물을 효율적으로 전기분해하는 것입니다. 양극에서의 산소 발생 반응의 경우, 나노구조 니켈 실리사이드는 이제 효율성의 상당한 증가를 약속합니다. 이는 BESSY II의 측정을 통해 CatLab 연구 플랫폼의 일부로 HZB, 베를린 기술 대학 및 베를린 자유 대학의 그룹에 의해 시연되었습니다.

전기분해는 학교 화학 수업에서 익숙한 개념일 수 있습니다. 두 개의 전극을 물에 담그고 전압을 가합니다. 이 전압으로 인해 물 분자가 구성 요소로 분해되고 전극에서 가스 기포가 상승합니다. 양극에서는 산소 가스가 형성되고 음극에서는 수소 기포가 형성됩니다. 전기분해는 태양이나 바람과 같은 화석이 없는 에너지 형태로 필요한 전기를 생산하는 한 CO2 중립적인 방식으로 수소를 생산할 수 있습니다.

유일한 문제는 이러한 반응이 그다지 효율적이지 않고 극도로 느리다는 것입니다. 반응 속도를 높이기 위해 백금, 루테늄 또는 이리듐과 같은 귀금속 및 희귀 금속을 기반으로 하는 촉매가 사용됩니다. 그러나 대규모 사용을 위해서는 이러한 촉매가 널리 사용 가능하고 매우 저렴한 요소로 구성되어야 합니다.

양극에서 산소 발생 반응을 가속화하기 위해 니켈 기반 재료가 좋은 후보로 간주됩니다. 니켈은 부식에 강하고 독성이 거의 없으며 가격도 저렴합니다. 그러나 지금까지 니켈 기반 촉매 물질을 생산하는 데에는 에너지 집약적인 고온 공정이 주로 사용되었습니다.

Prashanth Menezes 박사(HZB/TU Berlin)가 이끄는 팀은 이제 니켈-실리콘 금속간 나노결정을 기반으로 효율적인 촉매를 생산하는 "연성 화학" 방법을 발견했습니다.

Menezes는 "우리는 지각에서 두 번째로 풍부한 원소인 니켈 원소를 실리콘과 결합하여 화학 반응을 통해 나노구조화를 달성했습니다. 그 결과 생성된 물질은 우수한 촉매 특성을 가지고 있습니다"라고 Menezes는 말했습니다. 결정질 Ni2Si는 양극에서 알칼리 산소 발생 반응을 위한 전촉매 역할을 하며 표면 변형을 거쳐 작동 조건에서 활성 촉매인 니켈(옥시)수산화물을 형성합니다. 놀랍게도, 물 전기분해는 산업적으로 가치 있는 니트릴 화합물의 전기합성이 온화한 조건에서 선택적 및 완전 전환을 통해 1차 아민으로부터 생성되는 부가가치 유기 산화 반응과 추가로 결합되었습니다. 이러한 전기합성 방법은 음극에서 수소 생성을 촉진하는 동시에 양극에서 귀중한 산업 제품에 대한 접근을 제공할 수 있습니다.

니켈, 코발트, 철, 루테늄 및 이리듐을 기반으로 하는 최신 촉매에 비해 나노다공성 Ni2Si는 훨씬 더 활성적이며 산업 수준 조건에서 더 긴 반응 시간 동안 안정적으로 유지됩니다. Ni2Si의 거동을 더 자세히 이해하기 위해 팀은 BESSY II에서 원소 분석, 전자 현미경 및 현대 분광학 측정을 포함한 다양한 측정 방법을 결합했습니다. “미래에는 산업용 알칼리수 전해조에도 이 나노다공성 니켈 규화물 코팅을 장착할 수 있을 것”이라고 Menezes는 말했습니다.

참조: Mondal I, Hausmann JN, Vijaykumar G, 외. 양극 산소 발생 반응 및 1차 아민의 선택적 탈수소화를 위한 나노구조 금속간 니켈 규화물 (전)촉매. 고급 에너지 매트. 2022;12(25):2200269. doi:10.1002/aenm.202200269

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