| [미국] 나노결정을 이용한 기체의 흡착 및 탈착을 측정하는 새로운 시스템
나노결정(nanocrystal)이 수소와 다른 기체를 흡수 및 배출하는 방식을 직접적으로 측정할 수 있는 시스템이 자동차의 보다 더 효율적인 촉매 변환 장치(catalytic converter), 개선된 배터리 및 더 민감한 기체 센서(gas sensor) 등으로 이어질 전망이다. 미국 로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory) 소속의 연구진이 개발한 이 기술은 Nature Materials 저널에 발표된 논문에 상세히 기술됐다.
나노결정 상변환(nanocrystal phase transformation)의 정량적 이해는 보다 더 효율적인 에너지 전환과 촉매화 공정을 가능하게 하지만, 반응성 환경에서 특성이 잘 규명된 나노규모 시스템을 직접적으로 모니터링하는 것이 어렵기 때문에 제약이 따른다. 연구진은 새로운 현장에서 적용할 수 있는 발광을 기반으로 하는 프로브를 이용하여 나노결정 상변환의 정량을 직접적으로 측정할 수 있다고 제안했다. 이 연구에서는 팔라듐 나노결정(palladium nanocrystal)의 수소화 변환(hydriding transformation)이 적용됐다.
연구진의 접근은 기판 기질의 문제, 배위자 효과(ligand effect) 및 외부 신호 변환부(external signal transducer) 등을 제거하여 나노결정 상변화의 열역학과 고유의 역학(intrinsic kinetics)을 규명했다. 오랫동안 나노결정에서 나타난 분명한 크기 의존적 경향은 행동 양식에서 덩어리와 유사한 것으로 인정됐다. 통계 기계적 시뮬레이션은 이러한 경향이 열적으로 유발된 1차 상전이(phase transition)의 나노가둠(nanoconfinement)의 결과라는 것을 보여주었다. 상 경계 근처, 새로운 상의 임계핵(critical nuclei)은 나노결정 자체와 크기에서 유사했다. 이후 변형 속도는 나노결정의 치수, 즉 크기에 의해 불가피하게 제어됐다.
연구진의 결과는 나노가둠이 수소 저장, 촉매화 반응, 배터리 및 연료 전지 등에 상응하는 열적으로 유발된 고체 상태 상 변이의 광범위한 계측에 기본적으로 어떻게 영향을 끼치는지에 대한 이해에 일반적인 프레임워크를 제공한다고 주저자인 Rizia Bardhan은 밝혔다.
흡착 및 탈착 응용에서 나노결정을 사용하는데 있어서 진보는 공정 동안 개별적인 나노결정에서 일어나는 물리적 및 화학적 변화를 측정하기 위한 기존 방법의 한계에 의해 방해받아 왔다. 결과적으로 진보는 시행착오에 의해 달성됐으며, 공학적으로 제어된 시료와 특정 기하학에 의해 제한을 받았다.
새로운 방법은 형광 분석법(fluorescence spectroscopy)이라고 불리는 표준 공정을 기반으로 한다. 레이저 빔은 목표 나노결정 위에 집중되어 나노결정이 형광을 내는 원인이 된다. 나노결정이 기체 분자를 흡수할 때, 나노결정의 형광 강도는 희미해지고, 나노 결정의 형광은 기체를 배출할 때 회복된다.
기술은 단순하고 직접적이며, 규격품으로 바로 구매할 수 있는 장치를 사용한다. 따라서 다른 연구진이 이러한 장치를 이용하는데 어려움이 없다고 연구진은 밝혔다. 형광 효과는 매우 미묘하고 나노결정 크기 차이에 상당히 민감하다. 이러한 차이를 확인하는 것은 크기가 균일한 나노결정을 이용해야만 한다고 주저자인 Bardhan은 밝혔다.
이것이 전에는 효과가 관찰되지 않았던 한 가지 이유다. 광범위하게 사용되고 있는 볼 밀링(ball milling)과 다른 습식-화학물질 접근 방법 등과 같은 제작 기술은 다양한 범위의 다른 크기를 가지는 나노결정을 생산한다. 이러한 나노결정의 크기 차이는 효과를 가리는데 충분하다.
연구진의 기술을 테스트하기 위하여, 연구진은 팔라듐으로 제작된 나노결정으로 수소 기체 감지를 연구했다. 팔라듐은 매우 안정하고, 흡수된 수소를 쉽게 배출하기 때문에 이 연구의 대상으로 선정됐다. 또 연구진은 수송 분야에서 수소의 이용에 대한 관심이 높기 때문에 수소를 사용했다. 이러한 시나리오에 대한 주요 기술적 문제 중 하나는 안전하고 비용 효과적인 저장 방법을 개발하는 것이다. 나노결정을 기반으로 하는 금속 하이브리드 시스템은 개발되고 있는 접근 방법 중 하나이다.
연구진이 제작한 측정 장치는 나노결정의 크기가 금속이 수소를 흡수 및 배출할 수 있는 속도에 대한 효과를 훨씬 더 강력하게 해준다. 뿐만 아니라 재료가 흡수할 수 있는 수소의 양은 이전의 예측보다도 훨씬 더 많은 것으로 나타났다. 이러한 특성은 모두 수소 저장 시스템에 대한 핵심적인 장점이다. 입자의 크기가 더 작을수록, 재료는 기체를 더욱 빠르게 흡수할 수 있으며, 더 많은 기체가 흡수될수록, 입자는 수소를 더 빠르게 배출할 수 있다.
또 연구진은 흡착/탈착 속도가 ① 압력, ② 온도 및 ③ 나노결정 크기 등 세 가지 요인에 따라 결정된다는 사실을 규명했다. 연구진은 결함과 미세한 변화(strain)가 이전에 제안됐던 것처럼 상당한 효과를 가진다는 것과 같은 부가적인 요인은 발견하지 못했다. 이러한 새로운 정보를 근거로, 연구진은 다른 기체에 대하여 다양한 유형 및 크기 범위에 있는 나노결정의 흡착/탈착 속도를 예측할 수 있는 단순한 컴퓨터 시뮬레이션을 창출했다.
이것은 수소 저장 시스템, 촉매 변환 장치(catalytic converter), 배터리, 연료 전지 및 슈퍼커패시터 등을 포함하여 광범위한 나노결정 응용을 최적화할 수 있게 해준다고 Bardhan은 밝혔다.
Bardhan은 로렌스 리버모어 국립 연구소 소속이었으며, 현재 밴더빌트 대학(Vanderbilt University) 소속이다. 이러한 개발을 위한 협력 연구에는 밴더빌트 대학 기계공학과 소속의 조교수인 Cary Pint, 캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스(University of California, Berkeley) 소속의 Ali Javey, 로렌스 버클리 국립 연구소 소속의 Lester Hedges, Stephen Whitelam 및 Jeffrey Urban 등이 참여했다.
[원문보기]
New system measures adsorption and release of gases by nanocrystals
A new system that can directly measure the manner in which nanocrystals adsorb and release hydrogen and other gases could result in more efficient catalytic converters on autos, improved batteries and more sensitive gas sensors. The technique, developed by researchers at Lawrence Berkeley National Laboratory, is described in a paper published in the journal Nature Materials.
Progress in using nanocrystals in adoption and desorption applications has been hindered by limitations in existing methods for measuring the physical and chemical changes that take place in individual nanocrystals during the process. As a result, advances have been achieved by trial-and-error and have been limited to engineered samples and specific geometries.
The new method is based on a standard procedure called fluorescence spectroscopy. A laser beam is focused on the target nanocrystals, causing them to fluoresce. As the nanocrystals adsorb the gas molecules, the strength of their fluorescent dims and as they release the gas molecules, it recovers.
That is one reason why the effect wasn’t observed before: Fabrication techniques such as ball milling and other wet-chemical approaches that have been widely used produce nanocrystals in a range of different sizes. These differences are enough to mask the effect.
To test their technique, the researchers studied hydrogen gas sensing with nanocrystals made out of palladium?chosen because it is very stable and it readily releases adsorbed hydrogen. They used hydrogen because of the interest in using it for transportation. One of the major technical obstacles to this scenario is developing a safe and cost-effective storage method. A nanocrystal-based metal hydride system is one of the approaches under development.
The measurements they made revealed that the size of the nanocrystals have a much stronger effect on the rate that the material can adsorb and release hydrogen and the amount of hydrogen that the material can absorb than previously expected?all key properties for a hydrogen storage system. The smaller the particle size, the faster the material can absorb the gas, the more gas it can absorb and faster it can release it.
The researchers also determined that the adsorption/desorption rate was determined by just three factors: pressure, temperature and nanocrystal size. They did not find that additional factors such as defects and strain had a significant effect as previously suggested. Based on this new information, they created a simple computer simulation that can predict the adsorption/desorption rates of various types and size ranges of nanocrystals with a variety of different gases.
This makes it possible to optimize a wide range of nanocrystal applications, including hydrogen storage systems, catalytic converters, batteries, fuel cells and supercapacitors, Bardhan said.
Bardhan, who was at Lawrence Livermore, is now at Vanderbilt University. Collaborators in the development were Vanderbilt Assistant Professor of Mechanical Engineering Cary Pint, Ali Javey from the University of California, Berkeley and Lester Hedges, Stephen Whitelam and Jeffrey Urban from the Lawrence Berkeley National Laboratory.
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