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[미국] 에너지 생성에 기여하는 마이크로전동기
 수소(hydrogen)는 미래의 에너지 자원으로 고려되고 있다. 수소 연료 전지로 동력을 공급받는 자동차는 이미 시장에서 판매되고 있다. 그러나 수소 저장과 관련된 문제는 만족스러운 방법으로 해결되지 못하고 있다. 최근 미국 과학자들은 액체 저장 매질(liquid storage media)로부터 수소의 방출을 상당히 증가시킬 수 있는 촉매로 활성화되는 마이크로전동기(micromotor)를 개발했다. Angewandte Chemie 저널에 발표된 논문에서, 연구진은 수소-산소 연료 전지에 의해 동력을 공급받는 모델 자동차에 대한 연구진의 새로운 개념을 소개했다. 관련 연구의 제목은 “마이크로전동기를 기반으로 하는 에너지 생산(Micromotor-Based Energy Generation)”이다.
이 연구는 에너지 생산을 위하여 액체 상태의 수소를 수소 기체로 전환하는 공정을 이용하는 마이크로전동기를 기반으로 하는 전략을 기술했다. 새로운 전동기 기반의 수소 생산 개념은 수소화붕소나트륨(sodium borohydride, NaBH4) 용액 연료에 배치된 백금 블랙/티타늄 야누스 마이크로입자 모터의 움직임에 의존한다.
수소화붕소나트륨과 같이 수소를 함유한 염의 용액은 수소 저장 매질로서 많은 장점을 제공한다. 연료 전지의 부드러운 운영에 있어서 가장 중요한 필요조건은 방출되는 수소가 매우 순수해야 한다는 것이다.
지금까지, NaBH4로부터 수소를 방출하는 데 사용됐던 대부분의 촉매는 지지 재료에 삽입된 박막이거나 나노입자였다. 이러한 시스템에서 수소 방출의 속도와 효율은 용액에서 NaBH4의 농도 구배와 수소 거품에 의해 차단되는 반응 부산물의 증착을 통하여 표면의 불활성화로 인해 제한되고 있다.
미국 캘리포니아 대학 샌디에이고 캠퍼스 소속의 Joseph Wang이 주도하는 연구팀은 이러한 중요한 문제를 해결했다. 연구팀의 성공에서 핵심은 자체 추진되는 마이크로전동기(self-propelled micromotor)의 형태에서 촉매이다. 촉매는 로마 신의 이름인 야누스의 이름을 딴 야누스 마이크로입자(Janus microparticles)라고 알려진 입자로 구성된다. 이러한 작은 입자는 두 가지 다른 면을 가지고 있다. 한 개의 면은 매우 미세하고 촉매에 의해 활성을 띠는 백금 분말인 백금 블랙(platinum black)으로 만들어졌다. 그리고 나머지 절반의 면은 티타늄(titanium)으로 코팅되어 불활성을 띠게 하고, 방향성 운동을 가능하게 해준다.
이러한 마이크로전동기가 NaBH4 용액에 배치될 때, 수소는 백금 쪽에서만 방출된다. 따라서 저장 매질은 결과적으로 얻어진 기체 거품으로 추진되는 마이크로전동기를 위한 연료로 작용한다. 이것은 액체가 매우 철저하게 혼합되는 원인이 되고, 농도에서 국부적인 저하를 피하게 해준다. 부가적으로 기체 거품 또는 고체 부산물이 촉매 표면에 고착되지 않는다. 이것은 새롭게 제안된 촉매가 상용 고정 촉매보다 수소의 방출을 상당히 더 촉진시키는 결과를 얻게 해준다.
연구진의 개념을 증명하기 위하여, 연구진은 수소-산소 연료 전지를 구비한 소형 모델 자동차를 준비했다. 수소는 이상에서 기술된 것처럼 NaBH4 용액으로부터 장착되어 방출됐다. 또 필요한 산소는 백금/티타늄 마이크로전동기의 유사한 유형을 가지는 용해된 과산화수소(hydrogen peroxide)의 촉매 분해를 수행하는 탑재된 유사한 시스템에 의해 제조됐다.
이러한 유형의 시스템이 가지는 장점은 액체 연료가 사용됐으며, 따라서 기체를 저장할 필요가 없다는 점이다. 필요한 기체는 수요에 따라 매우 신속하게 방출되고, 연료 전지 전극에 직접 전달된다.
기체 생성뿐 아니라 촉매 마이크로전동기의 자율적인 움직임은 정적인 마이크로입자 또는 막과 비교하여 백금-블랙 촉매 표면을 향한 수소화붕소나트륨의 혼합과 이동을 강화시키고, 따라서 수소 생산의 속도를 상당히 더 빠르게 한다. 이러한 마이크로전동기의 실용적인 이용은 탑재된 움직임 기반의 수소와 산소 생산에 의해 수소-산소 연료 전지 자동차에 동력을 제공함으로써 그림1>에서 보여주었다. 새로운 마이크로전동기 접근은 동력을 공급하기 위하여 외부 장치 또는 에너지 그리드에 대한 증가하는 수요를 충족하거나 외부 장치에 동력을 공급하는 효율적인 현장 에너지 생성에 대한 개발에 초석이 될 것이다.
그림1> 에너지 생산을 위한 마이크로 전동기 : 자체 추진 마이크로입자가 액체 저장 매질로부터 수소 배출을 촉진한다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 5월 4일]
[원문보기]
Micromotors for energy generation
Hydrogen is considered to be the energy source of the future: the first vehicles powered by hydrogen fuel cells are already on the market. However, the problem of hydrogen storage has not been solved in a satisfactory way. American scientists have now developed catalytically active micromotors that significantly increase the release of hydrogen from liquid storage media. In the journal Angewandte Chemie ( "Micromotor-Based Energy Generation"), they introduce their new concept with a model vehicle powered by a hydrogen–oxygen fuel cell.
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Solutions of hydrogen-containing salts like sodium borohydride (NaBH4) offer many advantages as hydrogen storage media. Most importantly, the hydrogen they release is very pure, which is an important requirement for the smooth operation of fuel cells.
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To date, most catalysts used for releasing hydrogen from NaBH4 have been either thin films embedded in support materials or nanoparticles. The speed and efficiency of hydrogen release in these systems is limited by deactivation of the surfaces through deposition of the reaction byproduct (NaBO2), blockage by hydrogen bubbles, and concentration gradients of the NaBH4 in solution.
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A team headed by Joseph Wang at the University of California, San Diego (La Jolla, USA) has now solved these major problems. The key to their success is a catalyst in the form of self-propelled “micromotors”. These consist of particles known as Janus microparticles, named after the Roman god Janus. Like the god, these tiny particles have two different “faces”: one side is made of platinum black, a very fine, catalytically active platinum powder and the other half is coated with titanium, which makes it inactive and allows for directional motion.
When these micromotors are placed in a solution of NaBH4, hydrogen is only released on the platinum side. The storage medium thus also acts as the “fuel” for the micromotors, which are propelled by the resulting gas bubbles. This causes the liquid to be mixed very thoroughly, avoiding local drops in concentration. In addition, neither the gas bubbles nor the solid byproduct can stick to the catalytic surface. This results in significantly faster release of hydrogen than with conventional static catalysts.
To demonstrate their concept, the scientists equipped a small model car with a hydrogen–oxygen fuel cell. The hydrogen was released on board from a NaBH4 solution, as described above. The necessary oxygen was also produced on board by an analogous system: catalytic splitting of dissolved hydrogen peroxide (H2O2) with the same type of platinum/titanium micromotors.
The advantage of this type of system is that liquid fuels are used, so no storage of gases is required. The required gases are very rapidly released on demand and brought directly to the fuel cell electrodes.
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