.CHEMISTRY Green Hydrogen Breakthrough: New Catalyst Unveils the Hidden Power of Water

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녹색 수소의 혁신: 새로운 촉매가 물의 숨겨진 힘을 밝힙니다

수소 생산 아트 컨셉

주제:촉매에너지수소광과학 연구소물 작성자: 광과학 연구소(INSTITUTE OF PHOTONIC SCIENCES) 2024년 6월 24일 수소 생산 아트 컨셉 수소는 우리 사회를 탈탄소화하려는 노력의 핵심 요소이지만 현재 생산의 대부분은 상당한 양의 이산화탄소를 배출하는 메탄 개질과 같은 화석 연료 유래 공정에 의존하고 있습니다. 특히 양성자 교환막(PEM)과 같은 첨단 기술을 통한 물 전기분해를 통한 녹색 수소 개발은 이리듐과 같은 희귀 촉매의 필요성으로 인해 방해를 받습니다. 그러나 이리듐이 없는 촉매를 사용하는 ICFO 연구원들의 새로운 돌파구는 산업 규모에서 지속 가능하고 효율적인 녹색 수소 생산에 대한 가능성을 보여 잠재적으로 해당 분야에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 신용: SciTechDaily.com JUNE 24, 2024

-연구자들은 물 전기분해를 위한 획기적인 이리듐이 없는 촉매를 개발하여 지속 가능하고 대규모의 녹색 수소 생산을 위한 길을 열었습니다. 수소는 탈탄소화 사회를 위한 화학 및 에너지 운반체로서 상당한 잠재력을 제공합니다. 기존 연료와 달리 수소를 사용하면 이산화탄소가 생성되지 않습니다. 그러나 현재 생산되는 대부분의 수소는 화석연료인 메탄에서 메탄 개질이라는 과정을 통해 파생되는데, 이 과정에서 안타깝게도 상당한 양의 이산화탄소가 배출됩니다. 결과적으로, 녹색 수소 생산을 위한 확장 가능한 대안을 개발하는 것이 필수적입니다. 물 전기분해는 재생 가능 에너지와 청정 전기로 구동될 수 있는 녹색 수소를 생성하는 경로를 제공합니다.

-이 공정에는 물 분해와 수소와 산소로의 재결합이라는 비효율적인 반응을 각각 가속화하기 위해 음극과 양극 촉매가 필요합니다. 18 세기 후반 초기 발견 이후 물 전기분해는 다양한 기술로 발전했습니다.

PEM 물 전해조 그래픽

물 전기분해의 가장 유망한 구현 중 하나는 높은 속도와 높은 에너지 효율을 결합하여 녹색 수소를 생산할 수 있는 양성자 교환막(PEM)입니다. PEM 물 전해조 그래픽 PEM 물 전해조의 개념, 작동 방식, 팀이 구현한 새로운 기술 및 얻은 결과를 설명하는 인포그래프입니다. 신용: ICFO

-현재까지 물 전기분해, 특히 PEM에는 백금, 이리듐 등 희소하고 희귀한 원소를 기반으로 한 촉매가 필요했습니다. 이 반응으로 인해 발생하는 가혹한 화학적 환경에서 필요한 활성과 안정성을 결합한 화합물은 소수에 불과합니다. 이는 부식성이 강한 산성 환경에서 작동해야 하는 양극 촉매의 경우 특히 어려운 일입니다. 이 환경에서는 산화 이리듐만이 필요한 산업 조건에서 안정적인 작동을 보여주었습니다. 하지만 이리듐은 지구상에서 가장 희귀한 원소 중 하나입니다.

-가능한 해결책을 찾기 위해 과학자 팀은 최근 이리듐 촉매에 대한 대안을 찾기 위한 중요한 조치를 취했습니다. 이 다학문적 팀은 지금까지 탐구되지 않은 물의 특성을 활용하여 이리듐이 없는 촉매에 활성과 안정성을 부여하는 새로운 방법을 개발했습니다. 새로운 촉매는 최초로 이리듐을 사용하지 않고도 산업 조건에서 PEM 물 전기분해의 안정성을 달성했습니다.

Science 에 발표된 이 획기적인 성과 는 ICFO 연구원인 Ranit Ram, Dr. Lu Xia, Dr. Anku Guha, Dr. Viktoria Golovanova, Dr. Marinos Dimitropoulos, Aparna M. Das 및 Adrián Pinilla-Sánchez가 주도했습니다. ICFO 교수 F. Pelayo García de Arquer 박사; 여기에는 카탈로니아 화학 연구소(ICIQ), 카탈로니아 과학 기술 연구소(ICN 2 ), 프랑스 국립 과학 연구 센터(CNRS), 다이아몬드 광원 및 첨단 재료 연구소(INAM) 의 중요한 협력이 포함됩니다. ).

산성도 다루기

산성도가 높은 환경에서 활동성과 안정성을 결합하는 것은 어려운 일입니다. 대부분의 물질은 물 환경에서 낮은 pH 및 인가 전위에서 열역학적으로 안정하지 않기 때문에 촉매의 금속은 용해되는 경향이 있습니다. 산화이리듐은 이러한 가혹한 조건에서 활성과 안정성을 결합하므로 양성자 교환수 전기분해에서 양극으로 널리 선택됩니다. 이리듐 대체 물질을 찾는 것은 중요한 응용 과제일 뿐만 아니라 근본적인 과제이기도 합니다. 비이리듐 촉매에 대한 집중적인 연구는 특히 계산 모델과 결합하여 작동 중 촉매를 연구할 수 있는 프로브를 사용하여 반응 메커니즘과 분해에 대한 새로운 통찰력을 얻었습니다.

이는 망간 및 산화 코발트 기반 재료를 사용하고 다양한 구조, 구성 및 도펀트를 활용하여 촉매의 물리화학적 특성을 수정하는 유망한 결과를 가져왔습니다. 통찰력이 있는 반면, 이러한 연구의 대부분은 기본적 으로 확장 불가능한 원자로 에서 수행되었으며 특히 전류 밀도 측면에서 최종 응용 프로그램과는 거리가 먼 부드러운 조건에서 작동했습니다. PEM 반응기 및 PEM 관련 작동 조건(고전류 밀도)에서 비이리듐 촉매를 사용하여 활성과 안정성을 입증하는 것은 현재까지 파악하기 어렵습니다.

루샤, 라닛 램, 안쿠 구하

루샤, 라닛 램, 안쿠 구하 왼쪽부터: 장치를 들고 실험실에 있는 Lu Xia, Ranit Ram, Anku Guha. 신용: ICFO

이를 극복하기 위해 ICFO, ICIQ, ICN 2 , CNRS, Diamond Light Source 및 INAM 연구진은 산성 매질 에서 활성과 안정성을 달성하는 비이리듐 촉매 설계에 대한 새로운 접근 방식을 고안했습니다 . 코발트(매우 풍부하고 값싼)를 기반으로 한 그들의 전략은 일반적인 경로와 상당히 달랐습니다. “기존의 촉매 설계는 일반적으로 사용되는 재료의 구성이나 구조를 변경하는 데 중점을 둡니다. 여기서는 다른 접근 방식을 취했습니다.

우리는 반응 성분(물과 그 파편)을 구조에 적극적으로 포함시키는 새로운 소재를 설계했습니다. 우리는 물과 물 조각을 촉매 구조에 통합함으로써 이러한 까다로운 조건에서 촉매를 보호하도록 맞춤화할 수 있으며 이를 통해 산업 응용 분야에 적합한 높은 전류 밀도에서 안정적인 작동이 가능하다는 사실을 발견했습니다.”라고 ICFO 교수인 García de는 설명합니다.

아커. 물질의 일부를 물로 교환하는 박리 공정으로 구성된 그들의 기술을 통해 생성된 촉매는 이리듐 기반 촉매에 대한 실행 가능한 대안으로 제시됩니다. 새로운 접근 방식: 박리 공정 촉매를 얻기 위해 연구팀은 특정 코발트 산화물인 코발트-텅스텐 산화물(CoWO 4 ), 즉 줄여서 CWO를 조사했습니다. 이 출발 물질에서 그들은 텅스텐 산화물(WO 4 2- )이 격자에서 제거되고 기본 환경에서 물(H 2 O) 및 수산기(OH – ) 그룹과 교환되는 기본 수용액을 사용하는 박리 공정을 설계했습니다 . 이 공정은 다양한 양의 H 2 O 및 OH를 촉매 에 통합한 후 양극 전극에 통합하도록 조정될 수 있습니다 .

-팀은 작동 중에 이 새로운 종류의 재료를 이해하기 위해 다양한 광자 기반 분광학을 결합했습니다. 무엇보다도 적외선 라만과 X선을 사용하여 갇혀 있는 물과 수산기 그룹 의 존재를 평가 하고 산에서 물 분해에 대한 활성과 안정성을 부여하는 역할에 대한 통찰력을 얻을 수 있었습니다. 공동 저자인 Anku Guha 박사는 “갇힌 물을 감지하는 것이 우리에게 정말 어려운 일이었습니다.”라고 말했습니다.

“라만 분광법과 기타 광 기반 기술을 사용하여 마침내 샘플에 물이 있다는 것을 확인했습니다. 그러나 그것은 “자유로운” 물이 아니라 제한된 물이었습니다.” 성능에 큰 영향을 미친 것입니다. F. Pelayo García de Arquer, Marinos Dimitropoulos, Lu Xia, Aparna M. Das, Viktoria Holovanova, Anku Guha 및 Ranit Ram

F. Pelayo García de Arquer, Marinos Dimitropoulos, Lu Xia, Aparna M. Das, Viktoria Holovanova, Anku Guha 및 Ranit Ram

ICFO 가족 사진: 왼쪽부터: F. Pelayo García de Arquer, Marinos Dimitropoulos, Lu Xia, Aparna M. Das, Viktoria Holovanova, Anku Guha 및 Ranit Ram. 신용: ICFO

이러한 통찰력을 바탕으로 그들은 촉매 모델링 분야의 공동 작업자 및 전문가와 긴밀히 협력하기 시작했습니다. “대규모 구조 재배치가 발생하기 때문에 활성화된 재료의 모델링은 어렵습니다. 이 경우, 활성화 처리에 사용되는 박리로 인해 활성 부위의 수가 증가하고 반응 메커니즘이 변경되어 재료가 더욱 활성화됩니다. 이러한 물질을 이해하려면 실험적 관찰과 시뮬레이션 간의 상세한 매핑이 필요합니다.”라고 ICIQ의 Núria López 교수는 말합니다.

-공동 저자인 Hind Benzidi 박사가 주도한 그들의 계산은 물로 보호된 박리된 물질이 어떻게 고산성 환경에서 용해로부터 열역학적으로 보호될 뿐만 아니라 활성을 갖는지를 이해하는 데 중요했습니다. 그런데 이것이 어떻게 가능합니까? 기본적으로 산화텅스텐을 제거하면 이전에 있던 구멍이 정확히 뒤에 남게 됩니다.

-여기서 "마법"이 발생합니다. 매체에 광범위하게 존재하는 물과 수산화물이 자연스럽게 틈을 채웁니다. 이는 결국 코발트 용해를 불리한 과정으로 만들어 샘플을 보호하고 촉매 성분을 효과적으로 함께 유지합니다. 그런 다음, 그들은 박리된 촉매를 PEM 반응기에 조립했습니다. 초기 성능은 정말 놀라웠고, 기존의 어떤 기술보다 높은 활성도와 안정성을 달성했습니다. “우리는 전류 밀도를 5배 증가시켜 1A/cm 2 에 도달했습니다 . 이는 현장에서 매우 도전적인 랜드마크입니다. 하지만 중요한 점은 이러한 높은 밀도에서도 600시간 이상의 안정성을 달성했다는 것입니다.

-따라서 우리는 비이리듐 촉매에 대해 가장 높은 전류 밀도와 가장 높은 안정성에 도달했습니다.”라고 공동 저자인 Lu Xia 박사는 말합니다. 연구의 제1저자이자 초기 아이디어를 주도한 Ranit Ram은 “프로젝트 초기에 우리는 물 전기분해에서 방의 코끼리 로서 물 자체의 잠재적인 역할에 흥미를 느꼈습니다.”라고 설명합니다. "이전에는 이런 방식으로 물과 계면수를 적극적으로 맞춤화한 사람이 없었습니다."

-결국, 그것은 진정한 게임 체인저로 판명되었습니다. 안정성 시간은 현재 산업용 PEM과는 아직 거리가 멀지만 이는 이리듐이나 유사한 원소에 의존하지 않도록 만드는 데 큰 진전을 의미합니다. 특히 그들의 작업은 다른 관점에서 촉매 엔지니어링을 다룰 수 있는 잠재력을 강조하므로 물 전기분해 PEM 설계에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다.

-물의 성질을 적극적으로 이용하여 산업화를 향하여 팀은 산업 수준의 생산 규모로 확장하려는 목표로 이미 특허를 신청한 기술의 잠재력을 확인했습니다. 그러나 그들은 García de Arquer 교수가 다음과 같이 지적한 것처럼 이 단계를 수행하는 것이 사소하지 않다는 것을 알고 있습니다.

“이리듐보다 더 풍부한 코발트는 코발트를 어디서 얻을 수 있는지 고려할 때 여전히 매우 골치 아픈 물질입니다. 이것이 바로 우리가 망간, 니켈 및 기타 여러 소재를 기반으로 한 대체 소재를 연구하고 있는 이유입니다. 필요한 경우 주기율표 전체를 살펴보겠습니다. 그리고 우리는 연구에서 보고한 촉매 설계를 위한 새로운 전략을 그들과 함께 탐구하고 시도할 것입니다.” 확실히 발생하는 새로운 과제에도 불구하고 팀은 이 박리 프로세스의 잠재력을 확신하고 모두 이 목표를 추구하기로 결심했습니다. 특히 Ram은 다음과 같이 말합니다. “저는 재생 가능 에너지를 발전시키고 싶었습니다. 재생 가능 에너지가 인류 공동체로서 기후 변화에 맞서 싸우는 데 도움이 될 것이기 때문입니다. 나는 우리의 연구가 올바른 방향으로 작은 한 걸음을 내딛는 데 기여했다고 믿습니다.”

참고: Ranit Ram, Lu Xia, Hind Benzidi, Anku Guha, Viktoria Golovanova, Alba Garzón Manjón, David Llorens Rauret, Pol Sanz Berman, Marinos Dimitropoulos, Bernat Mundet의 "양성자 교환막 물 전기분해를 위한 코발트 텅스텐산염의 수산화수소 포획" , Ernest Pastor, Veronica Celorrio, Camilo A. Mesa, Aparna M. Das, Adrián Pinilla-Sánchez, Sixto Giménez, Jordi Arbiol, Núria López 및 F. Pelayo García de Arquer, 2024년 6월 20일, Science . DOI: 10.1126/science.adk9849 자금: 유럽 위원회, “la Caixa” 재단, Generalitat de Catalunya, 과학 혁신부, Fundación BBVA

https://scitechdaily.com/green-hydrogen-breakthrough-new-catalyst-unveils-the-hidden-power-of-water/

메모 2406250540 나의 사고실험 qpeoms 스토리텔링

지구상에 풍부한 물이 산소와 수소로 이뤄진 것은 다 알고 있지만 이를 경제적으로 안전하게 분리하여 사용하는 게 어려운 문제이다. 하지만 촉매가 없이 물을 물로 분리.결합하는 마법같은 일이 벌어지면 산소와 수소가 결합.분리를 자유롭게 하여 에너지 자원으로 풍부하고 값싸고 질좋은 원료로 널리 쓰일 수 있다. 허허.

좀 과장된 주장이지만 물(홀O, 짝H)은 msbase(bit,01)로 가정될 수 있다. qpeoms 분해를 가정하면 순간적으로 물이 없는 2d. 박막 빈공간에 물이 들어가, 물거품이 생긴 공간이나 터지며 생긴 순간적으로 생긴 빈공간으로 인하여 msbase.water를 완전 분해할 수 있다. 허허.

나는 상상이 되는데 그쪽은 아직 감이 안오나? 허허. 순간적으로 물질내부가 비여지는 경우들이 많은거여. 빅뱅사건이나 초신성 폭발로 인하여 생기는 void들 말이여. 그게 시공간 분해이다.

사진 설명이 없습니다.

Source 1. edit
By decomposing water, we obtain resources of hydrogen and oxygen. Electrolysis is a well-known method, but it requires the expensive catalyst iridium, a rare metal. To replace this, researchers introduced the magic of water's properties.

The researchers' calculations were important for understanding how the water-protected exfoliated material is not only thermodynamically protected from dissolution in highly acidic environments, but also remains active. But how was this possible? Basically, when you remove the tungsten oxide, you leave behind exactly the holes that were there before, and that's where the "magic" happens.

Water and hydroxide, which are widely present, naturally fill the gaps. This ultimately makes cobalt dissolution an unfavorable process, protecting the sample and effectively keeping the catalyst components together. Then, they assembled the exfoliated catalyst into a PEM reactor. Initial performance was truly astonishing, achieving higher activity and stability than any existing technology. “We increased the current density by a factor of five, reaching 1A/cm 2 . More importantly, stability of over 600 hours was achieved even at this high density.

Note 1.
https://biz.heraldcorp.com/view.php?ud=20201124000446

Among hydrogen production methods, the only eco-friendly method that does not produce carbon dioxide is electrolysis. It decomposes water (H2O) into hydrogen (H2) and oxygen (O2). At this time, the oxygen generation reaction was very slow, which lowered the overall water decomposition rate and caused a decrease in productivity. Ruthenium oxide (RuO2) and iridium oxide (IrO2) are used as catalysts to increase production speed, but their price exceeds $70,000 per kg and it is difficult to last for more than 24 hours.

The research team developed a catalyst by attaching oxygen atoms to inexpensive transition metals such as cobalt, iron, and a very small amount of ruthenium (Ru). This showed that it was 20 times cheaper than existing catalysts, had excellent performance, and could last at least 100 hours.

The rate-determining step is important to produce a high-performance catalyst. In the electrolysis process, oxygen is produced through four steps. Among these, OOH, the step immediately before oxygen generation, was difficult to stabilize, resulting in low oxygen generation efficiency in the next step. OOH generation is the rate-determining step that requires the most energy, and if OOH* is unstable, it cannot become oxygen in the next step and returns to the previous step.
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Memo 2406250540 My thought experiment qpeoms storytelling

We all know that the abundant water on Earth is composed of oxygen and hydrogen, but it is difficult to separate and use it economically and safely. However, if something magical happens that separates and combines water into water without a catalyst, oxygen and hydrogen can freely combine and separate, and can be widely used as an abundant, cheap, and high-quality raw material as an energy resource. haha.

It's a bit of an exaggeration, but water (odd O, paired H) can be assumed to be msbase (bit,01). Assuming qpeoms decomposition, 2d instantaneously free of water. When water enters the empty space of the thin film, msbase.water can be completely decomposed due to the space where water bubbles are formed or the empty space created momentarily when the film bursts. haha.

I can imagine it, but you can’t feel it yet? haha. There are many cases where the inside of a material becomes empty momentarily. The voids created by the Big Bang event or a supernova explosion. That is space-time decomposition.

sample qoms (standard)
0000000011=2,0
0000001100
0000001100
0000010010
0001100000
0101000000
0010010000
0100100000
2000000000
0010000001

sample pms (standard)
q0000000000
00q00000000
0000q000000
000000q0000
00000000q00
0000000000q
0q000000000
000q0000000
00000q00000
0000000q000
000000000q0

Sample msoss
zxdxybzyz
zxdzxezxz
xxbyyxzz
zybzzfxzy
cadccbcdc
cdbdcbdbb
xzezxdyyx
zxezybzyy
bddbcbdca

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