Drexel의 산화티타늄 소재, 햇빛으로 친환경 수소 생산 촉진

Aug 18, 2023

미국 인프라 투자법의 '청정 수소 로드맵'을 포함한 청정 에너지 계획에서는 수소를 미래의 연료로 기대하고 있습니다. 그러나 현재의 수소 분리 기술은 여전히 ​​효율성과 지속 가능성 목표에 미치지 못하고 있습니다. 대체 에너지원을 가능하게 하는 재료를 개발하기 위한 지속적인 노력의 일환으로 Drexel University 공과대학의 연구원들은 햇빛을 활용하여 연료원으로서 유비쿼터스 분자의 잠재력을 발휘할 수 있는 산화티타늄 나노필라멘트 재료를 생산했습니다.

이번 발견은 온실가스를 발생시키고 많은 에너지를 필요로 하는 현재의 방법에 대한 대안을 제시합니다. 햇빛만 사용하여 물에서 수소를 분리할 수 있는 공정인 광촉매는 수십 년 동안 연구되어 왔지만, 이 공정을 가능하게 하는 촉매 물질은 하루나 이틀 동안만 생존할 수 있기 때문에 더 먼 고려 사항으로 남아 있습니다. 기간 효율성 및 결과적으로 상업적 생존 가능성.

공과대학 연구원인 Michel Barsoum 박사와 Hussein O. Badr 박사가 이끄는 Drexel 그룹은 루마니아 부쿠레슈티에 있는 국립 재료 물리학 연구소의 과학자들과 협력하여 최근 광촉매 산화티타늄 기반의 광촉매 발견을 보고했습니다. - 한 번에 몇 달 동안 햇빛을 통해 물에서 수소를 수집하는 데 도움이 되는 차원 나노필라멘트 소재. Matter 저널에 게재된 기사 "물-메탄올 혼합물에서 광촉매 수소 생산을 위한 광안정성, 1D 나노필라멘트 TiO2 기반 레피도크로사이트"는 저자에 따르면 수소 연료를 생성하기 위한 지속 가능하고 저렴한 경로를 제시합니다.

Badr는 “우리의 산화티타늄 1차원 나노필라멘트 광촉매는 상용 산화티타늄보다 훨씬 더 높은 활성을 보여주었습니다.”라고 말했습니다. "또한, 우리의 광촉매는 6개월 동안 물에서 안정한 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 결과는 오랫동안 기다려온 나노물질의 실험실에서 시장으로의 전환을 마침내 시작할 수 있는 차세대 광촉매를 나타냅니다."

Barsoum의 그룹은 2년 전 Drexel 연구원들이 수차례 연구하고 있는 MXene 물질을 제조하기 위한 새로운 공정을 연구하던 중 광촉매 물질이 속하는 산화티타늄 나노물질 계열인 수산화물 유래 나노구조(HDN)를 발견했습니다. 응용 프로그램의. MAX 상이라 불리는 물질로부터 층상 2차원 MXene을 화학적으로 에칭하기 위해 표준 가성 불화수소산을 사용하는 대신, 연구진은 일반적인 유기 염기인 테트라메틸암모늄 수산화물 수용액을 사용했습니다.

그러나 이 반응은 MXene을 생성하는 대신 얇고 섬유질의 산화티타늄 기반 가닥을 생성했습니다. 연구팀은 이 가닥이 햇빛에 노출될 때 물 분자에서 수소를 분리하는 화학 반응을 촉진하는 능력을 가지고 있음을 발견하게 되었습니다.

“산화티타늄 재료는 이전에 광촉매 능력을 입증했기 때문에 이 특성에 대한 새로운 나노필라멘트를 테스트하는 것은 우리 작업의 자연스러운 부분이었습니다.”라고 그는 말했습니다. "그러나 우리는 그것이 광촉매일 뿐만 아니라 물-메탄올 혼합물로부터 수소 생산을 위한 매우 안정적이고 생산적인 촉매라는 것을 발견할 것이라고 기대하지 않았습니다."

이 그룹은 5가지 광촉매 재료(저비용으로 쉽게 구할 수 있는 다양한 전구체 재료에서 파생된 산화티타늄 기반 HDN)를 테스트하고 이를 상업적 실행 가능성에 가장 가까운 광촉매 재료로 널리 인정받고 있는 P25라고 불리는 Evonik Aeroxide의 산화티타늄 재료와 비교했습니다. .

각 재료를 물-메탄올 용액에 담그고 태양의 스펙트럼을 모방하는 조정 가능한 조명 램프에서 생성되는 자외선-가시광선에 노출했습니다. 연구진은 각 반응기 조립체에서 생성된 수소의 양과 활동 기간, 그리고 촉매 물질과 상호작용할 때 수소를 생성하는 빛의 광자 수를 측정했습니다. 이는 각 물질의 촉매 효율을 이해하기 위한 척도입니다.