연구자들은 철-질소-탄소 촉매에 수소를 첨가하면 기후 친화적인 연료전지의 비용을 크게 줄일 수 있다는 사실을 발견했습니다. 수년 동안 연구자들은 연료 전지에 사용되는 백금 및 기타 고가의 금속에 대한 비용 효율적인 대안을 찾기 위해 끊임없이 노력해 왔습니다. 그들의 연구는 철, 질소, 탄소의 다양한 조합을 탐구하는 데 중점을 두고 있으며, 이 세 가지 물질은 쉽게 구할 수 있고 가격이 저렴합니다.
그러나 이러한 철-질소-탄소 촉매의 내구성과 효율성 사이의 균형을 맞추는 것은 쉬운 일이 아니므로 그 과정에는 어려움이 따릅니다. 촉매를 내구성이나 고성능으로 만드는 데 성공했지만 두 가지 특성을 동시에 달성하는 것은 여전히 큰 장애물로 남아 있습니다.
버팔로 대학교(University at Buffalo)가 주도한 새로운 연구가 해결책을 제공할 수 있습니다. Nature Catalytic 저널에서 연구자들은 제조 과정에서 수소를 첨가하면 백금 성능에 근접하는 강력한 촉매가 생성되는 방법을 보고합니다.
이번 개발은 자동차, 트럭, 기차, 비행기 및 기타 대형 차량에 무공해 전력을 공급하는 데 도움이 되는 연료 전지 기술의 잠재력이 크게 발전했음을 나타냅니다.
"수년 동안 과학계는 이러한 절충안의 균형을 맞추려고 노력해 왔습니다. 우리는 저렴하고 효과적인 물질을 만들 수 있지만 너무 쉽게 분해됩니다. 또는 매우 안정적인 물질을 만들 수 있지만 그 성능은 백금과 비교할 수 없습니다." "이 연구를 통해 우리는 이 문제를 해결하기 위한 한 걸음을 내디뎠습니다."라고 해당 연구의 교신저자이자 공학 및 응용과학부 화학 및 생명공학과 교수인 Gang Wu 박사는 말했습니다.
이 연구는 내구성이 있지만 연료 전지에서 중요한 화학 반응 속도를 높이는 데 어려움을 겪는 철-질소-탄소 촉매를 설명하는 Wu가 주도한 이전 연구를 기반으로 합니다.
새로운 연구는 재료를 결합하기 위해 극도로 높은 온도를 사용하는 열분해라고 불리는 제조 공정에서 이러한 한계를 해결합니다.
열분해 과정에서 연구원들은 고온 챔버에서 4개의 질소 원자를 철과 결합했습니다. 그런 다음 그들은 견고하고 가볍고 유연한 탄소인 그래핀의 여러 층에 재료를 내장했습니다.
일반적으로 이 공정은 아르곤과 같은 불활성 가스로 채워진 챔버에서 수행됩니다. 그러나 이번에 연구진은 수소 가스를 객실 내부로 보내 90% 아르곤과 10% 수소의 혼합물을 형성했습니다.
그 결과 연구진은 촉매의 조성을 보다 정밀하게 제어할 수 있었다. 구체적으로 그들은 내구성과 효율성을 높이는 데 도움이 되는 두 가지 서로 다른 철-질소-탄소 화합물(하나는 탄소 원자 10개, 다른 하나는 탄소 원자 12개)을 배치할 수 있었습니다.
그 결과 촉매는 에너지부의 2025년 목표를 훨씬 초과하는 연료전지 초기 성능을 달성했습니다. 이는 대부분의 철-질소-탄소 촉매보다 내구성이 더 뛰어난 것으로 입증되었으며 연료 전지에 사용되는 일반적인 저백금 음극에 가깝습니다.
컴파일된 소스: ScitechDaily