나노

Feb 01, 2024

2022년 12월 15일

작성자: Particuology

귀금속 백금은 차세대 소형 고성능 수소 연료 전지의 핵심인 화학 반응을 위한 핵심 촉매제입니다. 그러나 백금의 높은 가격으로 인해 이 기술이 널리 채택되는 데 걸림돌이 되고 있습니다.

그러나 연구자들은 촉매로 사용할 나노 크기의 백금과 코발트 합금을 고안하여 동일하거나 더 나은 성능을 달성하는 데 필요한 백금의 양을 대폭 줄였습니다.

이 새로운 백금-코발트 전기촉매와 이를 생산하는 데 사용된 기술에 대한 설명은 12월 15일 Particuology 저널에 게재되었습니다.

배터리 기술을 사용하여 전기화하기 어려운 경제 부문, 특히 대형 운송 부문의 청정 전환에는 수소 연료 전지가 필요할 것입니다. 불행하게도 가장 일반적으로 사용되는 연료전지인 알칼리성 연료전지는 부피가 매우 커서 운송 및 항공과 같이 공간이 부족한 분야에서의 적용이 제한됩니다.

차세대 연료전지인 양성자 교환막 연료전지(PEMFC, 고분자 전해질막 연료전지라고도 함)는 훨씬 더 소형입니다.

안타깝게도 PEMFCS(산소 환원 반응, ORR)와 관련된 주요 반응에 사용되는 주요 촉매(화학 반응 속도를 높이는 데 도움이 되는 물질)는 희귀하고 값비싼 금속 백금입니다. 백금의 높은 비용은 이미 PEMFC 채택을 확대하는 데 가장 큰 장애물 중 하나입니다. 미국 에너지부의 데이터에 따르면, 연료전지의 백금족 금속 촉매는 현재 비용의 40% 이상을 차지합니다. 실제로 전 세계 백금 생산량의 절반이 자동차 산업에서 사용됩니다.

"이것은 백금의 높은 가격이 차량의 연료전지 채택을 제한하고 있음에도 불구하고 채택이 확대되면 이 희귀 금속에 대한 수요가 훨씬 더 많아지고 그에 따라 가격도 높아질 수 있기 때문에 문제를 더욱 악화시킬 뿐이라는 것을 의미합니다. "라고 논문의 저자이자 베이징 화학기술대학교(Beijing University of Chemical Technology)의 전기화학자인 Zhonghua Xiang은 말했습니다.

따라서 연료전지 기술을 보다 폭넓게 채택하려면 백금을 다른 촉매 물질로 교체하거나 성능 저하 없이 필요한 백금의 양을 줄이는 등 필요한 백금의 양을 어느 정도 줄여야 합니다.

많은 연구가 후자의 접근 방식에 중점을 두었습니다. 연구자들은 백금과 코발트를 합금하는 데 특히 중점을 두어 실제로 동일한 결과를 얻는 데 필요한 백금의 양을 희석했습니다. 그 이유는 다양한 백금-코발트 합금이 더 높은 "활성 표면적"(관련 화학 반응이 일어날 수 있는 촉매 분자의 공간)을 갖기 때문입니다.

그러나 최적의 ORR 성능을 달성하기 위해 합금 정도를 미세 조정하는 것은 여전히 ​​큰 과제로 남아 있습니다.

그래서 Xiang 교수는 디메틸아민 보란(DMAB)을 환원제(다른 화합물에 전자를 주는 물질)로 사용하여 백금-코발트-탄소 전구체(두 번째 화합물을 생성하는 화합물, 이 경우 백금-코발트 합금)를 합성했습니다. 하나는 화학 반응입니다). 이 전구체를 수소와 아르곤 가스 환경에서 고온으로 가열하여 코발트 1개에 백금 원자 3개가 포함된 백금-코발트 합금을 나노 크기의 입자 형태로 제조했습니다.

이 특정 백금-코발트 합금의 전자 구조는 연료 전지 전극의 막 표면에서 높은 활성을 허용합니다. 그 결과, 연료전지 성능이 향상되고 연료전지의 안정성이 향상된다. 후자의 이점은 연료 전지의 10,000사이클 이후 성능이 약간만 저하되는 것으로 입증되었습니다. 단일 연료 전지에 대한 추가 테스트에서는 그들의 접근 방식이 미국 에너지부 표준의 요구 사항을 상당히 초과하는 것으로 나타났습니다.