미 에너지부의 오크리지 국립 연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 연구진은 연료전지 촉매의 발생 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 새로운 원자 수준 이미징 기술을 개발하는데 성공했다. 이 연구결과는 제조업체가 연료전지의 비용을 낮추고 연료전지의 성능을 향상시키고 배출물이 없게 하는데 도움을 줄 수 있을 것이다.

연료전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 반응을 수행하기 위해서 고가의 백금 촉매를 사용한다. 코발트와 같은 귀금속으로 백금 합금을 만드는 것은 전체 비용을 감소시킬 수 있지만, 이러한 합금 촉매들은 원자 구조와 처리 방법에 따라서 성능이 변할 수 있다.

이번 연구진은 각각의 백금-코발트 나노입자 촉매들 속의 원자 재구성을 추적하기 위해서 주사 투과 전자 현미경을 사용했다. 입자는 현미경 속에서 가열되었다. 현미경 컬럼(microscope column)의 진공 속에서 실시간으로 측정되고, 기존의 현미경 기술로는 얻을 수 없는 원자 수준의 데이터를 수집할 수 있게 한다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Surface faceting and elemental diffusion behaviour at atomic scale for alloy nanoparticles during in situ annealing”이라는 제목으로 게재되었다(DOI: doi:10.1038/ncomms9925).

“이것은 어닐링 프로세스의 시작에서부터 마지막까지 구조적 및 조성적 변화를 원자 수준으로 이미지화해서 각각의 나노입자들을 추적할 수 있는 최초의 방법”이라고 Karren More가 말했다.

백금과 코발트 원자의 매우 작은 위치 변화들은 촉매의 전체 활성 및 선택성에 영향을 끼친다. 따라서 어닐링(점진적인 가열, 유지, 냉각 프로세스)은 합금의 표면 구조를 개질하는데 종종 사용된다. 이번 연구진의 현미경 실험들은 특정 원자 구성이 어닐링 프로세스 동안에 어떻게 발생하고 언제 변하는지를 정확하게 보여준다.

“당신은 상온에서 800℃까지 어닐링할 수 있지만, 최고의 촉매 특성을 보장하기 위해서 이 프로세스를 멈출 수 있는 정확한 지점을 알지 못한다”고 이 연구를 이끌었던 Miaofang Chi가 말했다. “입자들이 어떻게 발생하는지를 알지 못하기 때문에, 당신은 최적의 표면 구성을 만들 수 없다”고 Chi가 덧붙였다. 

원자 수준으로 촉매 발생 과정을 관찰할 수 있기 때문에, 특정 적용분야의 요구를 충족하기 위해서 촉매의 원자 구조를 미세 조정할 수 있게 할 것이다. “이 연구는 최적의 성능을 달성하기 위해서 어닐링을 통해 촉매를 디자인할 수 있는 새로운 길을 열어줄 수 있을 것”이라고 Chi가 말했다.

그림. 입자들이 가열될 때 특정 원자 구성이 어떻게 발생하고 변하는지를 보여주는 백금-코발트 나노입자 촉매 모델.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 11월 24일]

 

Atomic-level imaging of catalysts by scientists at the Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory could help manufacturers lower the cost and improve the performance of emission-free fuel cell technologies.

Fuel cells rely on costly platinum catalysts to enable the reactions that convert chemical energy into electricity. Alloying platinum with noble metals such as cobalt reduces the overall cost, but such alloyed catalysts vary in performance based on their atomic structure and processing history.

An ORNL team used scanning transmission electron microscopy to track atomic reconfigurations in individual platinum-cobalt nanoparticle catalysts as the particles were heated inside the microscope. The in-situ measurements -- acquired in real time in the vacuum of the microscope column -- allowed the researchers to collect atomic level data that could not be obtained with conventional microscopy techniques. The results are published in Nature Communications ("Surface faceting and elemental diffusion behaviour at atomic scale for alloy nanoparticles during in situ annealing").

“This is the first time individual nanoparticles have been tracked this way -- to image the structural and compositional changes at the atomic level from the start of an annealing process to the finish,” ORNL coauthor Karren More said.

Very small changes in the positions of platinum and cobalt atoms affect the catalyst’s overall activity and selectivity, so annealing -- a gradual heating, holding, and cooling process -- is often used to modify the alloy’s surface structure. The ORNL in situ microscopy experiments documented exactly what, when and how specific atomic configurations originate and evolve during the annealing process.

“You can anneal something from room temperature to 800 degrees Celsius, but you don’t know at which point you should stop the process to ensure the best catalytic performance,” lead author Miaofang Chi said. “Because you don’t know how the particle evolves, you might be missing the optimum surface configuration.”

The atomic-level detail in the ORNL study will guide researchers and manufacturers who want to fine-tune their catalysts’ atomic structure to meet the demands of a specific application.

“This work paves the way towards designing catalysts through post-synthesis annealing for optimized performance,” Chi said.

 

[원문출처 ; http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=41912.php]