전세계 에너지 수요를 만족시킬 마법의 탄환은 존재하지 않는다. 하지만 자립성 화학 반응으로부터 직접적으로 활용 가능한 전기 에너지를 통한 연료 전지는 화석 연료보다 더 저렴한 대체 에너지원이 될 수 있다.

과학자들은 이러한 연료 전지 내에서 더 빠른 에너지 전환을 가능하게 하기 위해서, 귀금속이라 불리는 특별한 금속, 즉 금, 은, 백금 등을 이용해 만든 나노 입자를 전극 표면을 따라 분산시켰다. 이러한 금속은 매크로(macro) 규모에서 다른 금속에 화학적으로 반응할 뿐만 아니라 나노(nano) 규모에서는 더욱 반응성이 커지게 된다. 이러한 금속을 통해 만들어진 나노 입자는 촉매처럼 행동하며, 연료로부터 전자를 유리시키는 필수 화학 반응의 속도를 향상시키는데 일조한다.

나노 입자가 전극 상에서 불꽃이 튀거나 방전되는 동안, 서로 간에 접합제(putty)처럼 으깨지면서 커다란 클러스터를 형성하게 된다. 이러한 압축 경향성은 소결(sintering)이라 불리며, 촉매 특성의 나노 입자와 상호 작용하는 연료의 분자에 이용 가능한 전체 표면적은 감소하게 된다. 따라서 이러한 현상을 방지함으로써 연료 전지의 완전한 잠재적 성능까지 실현시킬 수 있게 된다.

일본 오키나와 과학기술연구소(Okinawa Institute of Science and Technology) 설계팀은 미국 SLAC 국가연구실과 오스트리아 전자현미경및나노분석센터와의 협동 연구를 통해, 귀금속 나노 입자의 압축 현상을 방지하는 기술을 개발하는데 성공하였다. 연구팀은 귀금속 나노 입자를 금속산화물로 만들어진 다공성 껍질(porous shell) 내부에 개별적으로 캡슐화하였다. 일본 연구팀은 해당 연구 결과를 “Nanoscale” 최신호에 게재하였으며, 이번 연구 성과는 효율이 향상된 연료 전지 제조를 위한 나노 촉매 분야에 즉각적으로 응용될 수 있을 것으로 보인다.

일본 연구팀이 개발한 캡슐형 모델은 새롭게 설계된 시스템이다. 연구팀은 팔라듐(Palladium) 나노 입자를 마그네슘 산화물 껍질 내에 캡슐화한 후, 이러한 코어-쉘(core-shell) 조합을 전극 상에 분산시켰다. 그 후, 메탄올 연료 전지 내에서 일어나는 전기화학 반응 속도가 향상된 침전극 성능을 측정하였다. 연구팀은 캡슐화된 팔라듐 나노 입자가 기본 팔라듐 나노 입자에 비해 상당히 우수한 성능을 가짐을 확인하였다.

일본 연구팀은 이전의 마그네슘과 팔라듐 나노입자에 대한 개별 연구를 통해, 마그네슘 산화물 나노 입자가 귀금속 나노 입자 주변에서 다공성 껍질을 형성함을 확인하였다. 이렇게 추가된 껍질의 다공성이, 캡슐화된 팔라듐에 도달하는 연료 분자를 분별적으로 통과시키지는 않는다. 이는 전자 현미경 이미지로부터, 마그네슘 껍질이 단순히 서로 부착하고자 하는 힘에 따라 팔라듐 코어 간의 공간 제공의 역할을 하고 있음이 확인되었다. 이를 통해 완전한 반응 잠재력이 실현되게 된다.

일본 연구팀에 의해 설계된 진보된 나노 입자 적층 시스템은 실험 인자의 미세한 조절을 가능하게 할 뿐만 아니라, 캡슐 껍질의 두께 및 상대적으로 용이한 코어 내 팔라듐 나노입자 개수 변동까지 가능하게 한다. 나노 입자의 크기 및 구조 변경은 서로 다른 응용을 위한 물리적, 화학적 성질의 변화를 이끌어낼 수 있다.

Mukhles Sowwan 교수는 “이번에 개발된 기술을 통해, 더 많은 코어-쉘 조합을 시도할 수 있게 되었다. 팔라듐 보다 저렴한 금속, 즉 니켈, 철 등에도 적용해 볼 수 있다. 이번 연구 결과는 새로운 연구 방향을 지속할 수 있음을 충분히 보여주고 있다”고 덧붙였다.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 8월 12일]

 

There are no magic bullets for global energy needs. But fuel cells in which electrical energy is harnessed directly from live, self-sustaining chemical reactions promise cheaper alternatives to fossil fuels.

To facilitate faster energy conversion in these cells, scientists disperse nanoparticles made from special metals called 'noble' metals, for example gold, silver and platinum along the surface of an electrode.

These metals are not as chemically responsive as other metals at the macroscale but their atoms become more responsive at the nanoscale. Nanoparticles made from these metals act as a catalyst, enhancing the rate of the necessary chemical reaction that liberates electrons from the fuel. While the nanoparticles are being sputtered onto the electrode they squash together like putty, forming larger clusters. This compacting tendency, called sintering, reduces the overall surface area available to molecules of the fuel to interact with the catalytic nanoparticles, thus preventing them from realizing their full potential in these fuel cells.

Research by the Nanoparticles by Design Unit at the Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), in collaboration with the SLAC National Laboratory in the USA and the Austrian Centre for Electron Microscopy and Nanoanalysis, has developed a way to prevent noble metal nanoparticles from compacting, by encapsulating them individually inside a porous shell made of a metal oxide. The OIST researchers published their findings in Nanoscale. Their work has immediate applications in the field of nano-catalysis for the manufacturing of more efficient fuel cells.

The OIST researchers designed a novel system. They encapsulated Palladium nanoparticles in a shell of Magnesium oxide. Then they dispersed this core-shell combination on an electrode and measured the immersed electrode's abilities in improving the rate of the electrochemical reaction that occurs in methanol fuel cells. They demonstrated that encapsulated Palladium nanoparticles give a significantly superior performance than bare Palladium nanoparticles.

The OIST researchers had previously realized that Magnesium oxide nanoparticles could form porous shells around noble metal nanoparticles while studying Magnesium and Palladium nanoparticles separately. The porosity of this added armor ensures it does not screen molecules of the fuel from reaching the encapsulated Palladium. Electron microscopy images confirmed that the Magnesium oxide shell simply acts as a spacer between the Palladium cores as they try to stick to each other, letting each to realize its full reactive potential.

The advanced nanoparticle deposition system at OIST allowed the researchers to fine tune the experimental parameters and vary the thickness of the encapsulating shell as well as the number of Palladium nanoparticles in the core with relative ease. Tuning sizes and structures of nanoparticles alters their physical and chemical properties for different applications.

"More core-shell combinations can be tried using our technique, with metals cheaper than Palladium for instance, like Nickel or Iron. Our results show enough promise to continue in this new direction," said Vidyadhar Singh, the paper's first author, and postdoctoral fellow under the supervision of Prof. Mukhles Sowwan, the director of OIST's Nanoparticles by Design Unit, who was also a corresponding author of the paper.

 

[원문출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2015/08/150807092551.htm]