두 가지 주요 물리적 현상들(촉매 작용과 습윤성)은 재료의 표면에서 발생한다. 촉매 작용은 화학적 반응 속도를 향상시킨다. 습윤성은 액체가 표면에 어떻게 분산되는지를 결정한다. 현재, MIT, 로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory), 오크리지 국립 연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 연구진은 이런 두 개의 프로세스가 실제로 매우 밀접하게 연관되었다는 것을 발견했다. 이 연구결과는 특별한 분야에 잠재적인 이점을 가진 새로운 촉매가 더 쉽게 개발될 수 있게 할 것이다.

“정말로 흥미로운 것은 우리가 습윤성의 거시적인 측정(친수성 또는 소수성인지에 대한 여부)에 표면 위의 물과 산화물의 원자 수준의 상호작용을 연결시키고 촉매 특성과 이것을 직접적으로 연관시켰다는 점”이라고 MIT의 W.M. Keck 교수가 말했다. 이 연구결과는 Journal of Physical Chemistry C에 게재되었고, 이 연구는 가스 감지, 수질 정화, 배터리, 연료 전지와 같은 분야에 매우 유용한 페로브스카이트(perovskite)라고 불리는 산화물을 대상으로 했다.

표면의 젖음성을 측정하는 것은 다소 쉽기 때문에, 재료가 촉매로서 적합한지를 예측하는데 사용될 수 있다. 이번 연구진은 습윤성과 촉매 특성의 전문가들로 구성되어서 각각의 특성을 집중적으로 조사하였다. “우리는 습윤성과 촉매 작용(표면 현상의 주요 특성)이 어떻게 관련되고 전기적 구조가 두 개의 사이를 어떻게 연결시키는지를 증명했다”고 Varanasi가 말했다. “두 개의 효과들은 다양한 산업적 프로세스에서 중요하고 많은 경험적 연구의 대상이 되지만, 우리는 분자 크기에서 계면에서 일어나는 것을 거의 알지 못한다”고 Shao-Horn이 말했다. “이것은 분자 크기에서 발생하는 것에 대한 새로운 이해를 제공한다”고 Shao-Horn이 덧붙였다.

“이것은 주로 실험적인 기술이고, 새로운 이해를 이끌 수 있다”고 Kelsey Stoerzinger가 설명했다. 이러한 표면 과학을 조사하기 위한 대부분의 시도들이 진공을 필요로 하는 장치들을 사용하지만, 이번 연구진은 상온의 습한 공기 속에서 발생하는 반응을 조사하는 장치를 사용했다. 이것은 수증기의 양을 변화시킬 수 있다. 대기압 광전자 분광장치(ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy)라고 불리는 시스템을 사용해서, 이번 연구진은 물과의 반응이 전체 프로세스의 핵심이라는 것을 밝혔다.

물 분자들은 수산기가 형성하기 위해서 깨진다. 수산기는 한 개의 수소와 한 개의 산소가 결합된 형태를 가지고, 재료 표면에 결합된다. 이런 반응성 화합물은 표면의 습윤성을 증가시키지만, 화학적 반응을 촉진하는 능력을 자발적으로 억제한다. 따라서 이번 연구진은 높은 촉매 활성을 필요로 하는 분야의 경우에 표면을 소수성 또는 비-젖음성으로 만드는 것이 핵심 요구조건이라는 것을 발견했다. “이런 이해는 우리가 새로운 촉매를 디자인하는데 돕는다”고 Stoerzinger가 말했다. “주어진 재료가 물과 낮은 친화성을 가진다면, 이것은 촉매 활성에 대한 더 높은 친화력을 가진다는 것을 의미한다”고 Stoerzinger가 덧붙였다.

“이것은 초기 연구결과이고, 수산기 친화성의 범위와 다양한 재료들에서 이런 추세가 발생하는지는 차후에 조사되어야 할 것”이라고 이번 연구진은 말했다. 이번 연구진은 이 분야에 대한 추가적인 조사를 이미 시작했다. “이 연구는 재료와 표면을 새롭게 고찰할 수 있는 계기를 열어 줄 것”이라고 이번 연구진은 말했다. 이 연구결과는 저널 Journal of Physical Chemistry C에 ”Reactivity of Perovskites with Water: Role of Hydroxylation in Wetting and Implications for Oxygen Electrocatalysis“라는 제목으로 게재되었다.

그림. 왼쪽 물질은 우수한 습윤성을 보여주고 있고, 표면에 수산기가 부착되어 있어서 물방울이 평편하게 퍼져 있는데, 이것은 촉매 활성을 저해한다. 오른쪽 물질은 소수성 특성을 가지고 있고, 촉매 활성을 촉진하는데, 이것은 작은 오렌지 분자들 간의 반응으로 증명된다.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 8월 3일]

 

 

Two key physical phenomena take place at the surfaces of materials: catalysis and wetting. A catalyst enhances the rate of chemical reactions; wetting refers to how liquids spread across a surface.

Now researchers at MIT and other institutions have found that these two processes, which had been considered unrelated, are in fact closely linked. The discovery could make it easier to find new catalysts for particular applications, among other potential benefits.

“What’s really exciting is that we’ve been able to connect atomic-level interactions of water and oxides on the surface to macroscopic measurements of wetting, whether a surface is hydrophobic or hydrophilic, and connect that directly with catalytic properties,” says Yang Shao-Horn, the W.M. Keck Professor of Energy at MIT and a senior author of a paper describing the findings in the Journal of Physical Chemistry C ("Reactivity of Perovskites with Water: Role of Hydroxylation in Wetting and Implications for Oxygen Electrocatalysis").

The research focused on a class of oxides called perovskites that are of interest for applications such as gas sensing, water purification, batteries, and fuel cells.

Since determining a surface’s wettability is “trivially easy,” says senior author Kripa Varanasi, an associate professor of mechanical engineering, that determination can now be used to predict a material’s suitability as a catalyst. Since researchers tend to specialize in either wettability or catalysis, this produces a framework for researchers in both fields to work together to advance understanding, says Varanasi, whose research focuses primarily on wettability; Shao-Horn is an expert on catalytic reactions.

“We show how wetting and catalysis, which are both surface phenomena, are related,” Varanasi says, “and how electronic structure forms a link between both.”

While both effects are important in a variety of industrial processes and have been the subject of much empirical research, “at the molecular level, we understand very little about what’s happening at the interface,” Shao-Horn says. “This is a step forward, providing a molecular-level understanding.”

“It’s primarily an experimental technique” that made the new understanding possible, explains Kelsey Stoerzinger, an MIT graduate student and the paper’s lead author. While most attempts to study such surface science use instruments requiring a vacuum, this team used a device that could study the reactions in humid air, at room temperature, and with varying degrees of water vapor present.

Experiments using this system, called ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy, revealed that the reactivity with water is key to the whole process, she says.

The water molecules break apart to form hydroxyl groups — an atom of oxygen bound to an atom of hydrogen — bonded to the material’s surface. These reactive compounds, in turn, are responsible for increasing the wetting properties of the surface, while simultaneously inhibiting its ability to catalyze chemical reactions. Therefore, for applications requiring high catalytic activity, the team found, a key requirement is that the surface be hydrophobic, or non-wetting.

“Ideally, this understanding helps us design new catalysts,” Stoerzinger says. If a given material “has a lower affinity for water, it has a higher affinity for catalytic activity.”

Read more:Shao-Horn notes that this is an initial finding, and that “extension of these trends to broader classes of materials and ranges of hydroxyl affinity requires further investigation.” The team has already begun further exploration of these areas. This research, she says, “opens up the space of materials and surfaces we might think about” for both catalysis and wetting.

[원문출처 : http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=40912.php]