수소는 미래 에너지 시스템의 핵심 요소로 꼽히며, 수소를 효율적으로 생산하기 위해서는 물의 전기분해 등 관련 과정에 대한 깊은 이해가 필요하다. 최근 독일 막스플랑크 고분자연구소 연구팀과 영국 케임브리지대학교 유수프 하미드 화학과 연구팀이 공동으로 연구를 발표했다. 이 연구에서는 분자 수준에서 강한 전기장 하에서 물 분자가 '자가해리'되는 새로운 메커니즘을 처음으로 밝혀, 전기장이 전통적인 물 화학 반응의 '추진력 규칙'을 뒤집을 수 있음을 보여주었다.


고여 있는 물 한잔과 같은 일상적인 조건에서 물 분자는 때때로 자발적으로 수소 이온과 수산기 이온으로 해리되지만 이 과정은 극히 드뭅니다. 고전 열역학의 이해에 따르면, 화학 반응이 자발적으로 진행될 수 있는지 여부는 주로 에너지와 엔트로피라는 두 가지 요소에 의해 결정됩니다. 시스템은 에너지가 감소하는 경향이 있지만 엔트로피가 증가하는 경향(무질서 증가)도 있습니다. 기존 환경에서 물이 자가분해되는 경우, 반응은 에너지를 감소시키지도 않고 더 큰 무질서를 가져오지도 않으므로 "에너지"와 "엔트로피" 차원 모두에서 지배적이지 않으므로 자발적으로 발생하는 경우가 거의 없습니다.

연구팀은 전기화학소자 내부에서 물 분자가 위치하는 강한 전기장 환경이 일상 조건과 전혀 달라 전통적인 이해가 유효하지 않을 수 있다고 지적했다. 고정밀 분자 역학 시뮬레이션을 통해 강한 전기장이 가해지면 물의 자기 해리 반응 속도가 크게 증가할 수 있음을 발견했습니다. 그러나 이러한 변화를 추진하는 핵심은 에너지 측면에서 '쉽게 만드는 것'이 아니라 엔트로피 구동 방식을 근본적으로 뒤집는 것입니다.

강한 전기장의 작용으로 물 분자는 먼저 고도로 질서 있는 수소 결합 네트워크로 배열되도록 강제되며 전체 시스템은 기존의 액체 물보다 더 "질서 있는" 것처럼 보입니다. 이러한 환경에서 이온이 생성되면 원래 전기장에 의해 "강제적으로 조직화된" 구조를 붕괴시켜 시스템의 무질서를 증가시킵니다. 연구에 따르면 "전기장에 의해 구속된 질서"에서 "이온에 의해 교란된 무질서"까지의 이러한 과정이 전계 강도 하에서 물의 자가 해리를 촉진하는 주요 엔트로피 원동력이 되는 것으로 나타났습니다. 즉, 제로 필드 조건에서 반응에 저항하는 엔트로피 효과는 강한 전기장에서 반응을 촉진하는 "부스터"로 변합니다.

논문 저자 중 한 명이자 Max Planck Institute for Polymer Research 연구 그룹의 리더인 Yair Litman은 벌크상의 일반적인 조건에서 물의 자기 해리는 항상 "에너지적으로 불리하고 엔트로피적으로 방해받는" 전형적인 반응으로 간주되어 왔다고 말했습니다. 그러나 전기화학 환경에서 흔히 볼 수 있는 강한 전기장에서는 동일한 반응이라도 전혀 다른 모습을 보입니다. 공동 연구자인 Angelos Michaelides와의 시뮬레이션 작업을 통해 그들은 강한 전기장이 물의 해리를 크게 향상시켰으며 이러한 향상은 에너지 장벽이 낮아진 것이 아니라 반응 경로 엔트로피의 "플립플롭"에서 비롯된 것임을 발견했습니다.

이 연구는 또한 전기장이 물의 산도와 알칼리도에 미치는 중요한 영향을 밝혔습니다. 강한 전기장의 작용으로 원래 중성인 물(pH 약 7)은 pH 값이 약 3 정도로 낮은 강산성 범위로 밀려날 수 있습니다. 이 결과는 전기화학 장치 또는 바이어스 조건 하에서 경계면 근처의 물 환경의 산성도가 기존 모델에서 예측한 것보다 훨씬 높을 수 있으며 반응 속도, 재료 안정성 및 촉매 공정의 기계적 이해에 직접적인 영향을 미칠 수 있음을 의미합니다.

공동저자인 Michaelides는 이러한 발견이 새로운 패러다임을 제안한다고 지적했습니다. 즉, 물 분해와 같은 전기화학적 과정을 이해하고 최적화할 때 에너지 곡선에만 집중할 수 없으며 엔트로피의 역할과 강한 전기장이 물의 분자 지형을 어떻게 재구성하는지 체계적으로 고려해야 합니다. 이 연구는 바이어스 조건과 수성 시스템에서 전기장에 따라 반응 활성이 변하는 방식이 이전에 생각했던 것보다 더 복잡하다는 것을 보여 주며, 또한 "수성 환경"과 전기화학적 조건에서 촉매 반응의 설계를 재평가하기 위한 새로운 이론적 기초를 제공합니다.

저자는 이 연구가 바이어스 압력 하에서 수성상 반응성의 이론적 틀을 재구성하기 위한 핵심 단서를 제공한다고 믿습니다. 강한 전기장 하에서 물 구조와 반응성에 대한 엔트로피의 통합 효과를 강조함으로써 이 연구는 물 전기분해 장치, 전기촉매 시스템 및 "물 반응" 분야의 촉매 설계에 대한 새로운 아이디어를 열어줍니다. 

관련 결과는 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 '엔트로피가 전기장 하에서 물 해리의 구조와 반응성을 지배한다(Entropy Governs the Structure and Reactivity of Water Dissociation Under Electric Fields)'라는 제목으로 게재됐다.

/ScitechDaily에서 편집됨