에탄올 연료 전지의 가능성에 대해서.

미국 에너지부 (DOE)의 브룩헤븐 국립 연구소와 아칸소대학의 과학자들은 재생 가능한 자원에서 생성할 수 있는 저장하기 쉬운 액체 연료인 에탄올에서 전기 에너지를 추출하기 위한 고효율 촉매를 개발했습니다. 이 촉매는 액체 연료의 저장된 에너지의 전체 잠재력을 방출하는 이상적인 화학 경로로 에탄올의 전기 산화를 유도합니다. "이 촉매는 '오프 더 그리드 (off-the-grid)'전력의 유망한 고 에너지 밀도 소스로 에탄올 연료 전지의 사용을 가능하게 하는 혁신적인 물질 입니다." 라고 연구를 주도한 브룩헤븐 연구소의 화학자 지아 왕은 말했습니다. 특히 유망한 응용 분야 중 하나는 액체 연료 전지 구동 드론입니다. 에탄올 연료 전지는 배터리에 비해 가볍습니다. 그들은 비행 사이에 쉽게 보충할 수 있는 액체 연료를 사용하여 드론을 작동할 수 있는 충분한 전력을 제공할 것입니다. 심지어 원격 위치에서도 마찬가지입니다. 에탄올의 잠재력 대부분은 분자의 중추를 형성하는 탄소-탄소 결합에 고정되어 있습니다. 왕의 그룹이 개발한 촉매는 적시에 이러한 결합을 끊는 것이 저장된 에너지를 잠금 해제하는 열쇠임을 보여줍니다. "에탄올의 전기 산화는 분자당 12개의 전자를 생성할 수 있다"고 왕은 말했습니다. "그러나 반응은 다양한 경로를 따라 진행될 수 있습니다. 이러한 경로의 대부분은 불완전한 산화를 초래합니다. 촉매는 탄소-탄소 결합을 그대로 유지하여 더 적은 전자를 방출합니다. 그들은 또한 공정 초기에 수소 원자를 제거하여 탄소 원자를 일산화탄소 형성에 노출시켜 촉매의 기능을 시간이 지남에 따라 "독성"시킵니다. 에탄올의 12 전자 완전 산화는 공정 초기에 탄소-탄소 결합을 끊어야 하는 반면, 수소는 탄소를 보호하고 일산화탄소의 형성을 방지하기 때문에 수소 원자는 여전히 부착되어 있습니다. 그런 다음 공정을 완료하기 위해 여러 단계의 탈수 소화 및 산화가 필요합니다. 브룩헤븐 과학자들이 다양한 촉매 반응을 위해 탐구해온 고유 한 코어-셀 구조에 반응성 요소를 결합한 새로운 촉매는 이러한 모든 단계를 가속합니다. 촉매를 만들기 위해 이 프로젝트의 목적으로 아칸소 대학의 징이 첸은 금 나노 입자에 백금과 이리듐을 공동 증착하는 합성 방법을 개발했습니다. 백금과 이리듐은 금 나노 입자의 표면을 가로질러 "단원자 섬"을 형성합니다. 이러한 배열이 촉매제의 뛰어난 성능을 설명하는 핵심이라고 첸은 지적했습니다. "금 나노 입자 코어는 백금-이리듐 단일 원자 섬에서 인장 변형을 유도하여 탄소-탄소 결합을 절단하고 수소 원자를 제거하는 요소의 능력을 증가시킵니다." 라고 그녀는 말했습니다. 스토니 브룩 대학교의 대학원생이자 논문의 첫 번째 저자인 즈슈 리앙은 왕의 실험실에서 촉매가 기록적인 높은 에너지 변환 효율을 달성하는 방법을 이해하기 위해 연구를 수행했습니다. 그는 "현장 적외선 반사 흡수 분광법"을 사용하여 반응 중간체 및 생성물을 식별하고, 새로운 촉매에 의해 생성 된 것을 금-코어 / 백금-쉘 촉매 및 백금-이리듐 합금 촉매를 사용한 반응과 비교했습니다. "적외선이 반응의 여러 단계에서 흡수될 때 생성된 스펙트럼을 측정함으로써 이 방법을 사용하면 각 단계에서 어떤 종이 ​​형성되었으며 각 제품의 양을 추적할 수 있습니다." 라고 리앙은 말했습니다. "스펙트럼은 새로운 촉매가 에탄올을 12 전자 완전 산화 경로로 향하게 하여 연료의 저장된 에너지의 모든 잠재력을 방출한다는 것을 보여주었습니다." 다음 단계는 새로운 촉매를 포함하는 장치를 설계하는 것입니다. 이 연구에서 밝혀진 기계적 세부 사항은 다른 응용 분야를 위한 미래의 다 성분 촉매의 합리적인 설계를 안내하는 데도 도움이 될 수 있습니다. 여기에 설명된 세부 정보 외에도 과학자들은 DOE 과학부서 사용자 시설인 National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)에서 ISS (Inner Shell Spectroscopy) 빔 라인을 사용하여 각 요소의 상대적인 양을 특성화했습니다.