[미국] 청정 연료를 생성하게 하는 코발트 박막
 라이스 대학(Rice University)의 연구진은 코발트 기반의 박막이 새로운 촉매로서 매우 유용하게 적용될 수 있다는 것을 증명했다. 이 새로운 촉매는 연료 전지에 공급되는 물로부터 수소와 산소를 생성하는 역할을 한다.
이번 연구진에 의해서 개발된 저렴한 고다공성 재료는 물 전기 분해로 수소를 제조할 수 있는 촉매로서 큰 장점을 가질 수 있다. 머리카락보다 훨씬 더 얇은 단일 박막은 전기 분해 장치 속의 양극 및 음극으로서 사용될 수 있다. 이번 연구진은 이 연구결과를 저널 Advanced Materials에 게재했다.
이번 연구진은 코발트 박막이 최첨단 재료보다 수소를 훨씬 더 잘 생산할 수 있고 훨씬 더 저렴하기 때문에 상용 백금 촉매와 경쟁할 수 있다는 것을 확인했다. 또한 이번 연구진은 이 촉매가 현재 사용되는 재료와 필적하는 산소 발생 반응을 수행할 수 있다고 보고했다. “물-분리에서 사용되는 동일한 재료로 더 많은 수소와 산소를 만들 수 있다는 것은 놀라운 일”이라고 Tour가 말했다. “재료들은 주로 한 개 또는 또 다른 것을 만들 수 있지만 두 개를 동시에 만들 수는 없다”고 Tour가 덧붙였다.
이번 연구진은 코발트 기반의 전기 분해에서 풍력 또는 태양 에너지원에 교류를 적용하는 것이 수소와 산소의 친환경적인 에너지원을 제조할 수 있게 한다는 것을 제안했다. “우리는 양에서 음으로 전류 교번을 반복함으로써 기존에 사용하는 것과 동일한 재료로 수소와 산소를 만들 수 있었다”고 Tour가 말했다. “그리고 재료는 매우 쉽게 만들어진다”고 Tour가 덧붙였다. 이번 연구진은 박막을 저렴하게 제조할 수 있고 확장성을 가진다는 것을 증명했다.
이번 연구진은 기판 위에 전기 증착된 코발트 박막을 아노다이징함으로써 500나노미터 박막을 제조했다. 그 후에 다공성 구조에 손상을 주는 일 없이 코발트/인화물/인산염을 변환시키는 인(燐) 증기 속에 두 시간 동안 소성시켰다. 이 재료는 내구성 테스트에서 견고하다는 것을 증명되었고 산 및 알칼리 조건 하에서 원래 상태를 유지한다는 것이 증명되었다.
Co 인화물과 Co 인산염으로 구성된 Co 기반의 촉매는 2-기능성 물 전기 분해를 위해서 성공적으로 제조되었다. 아노다이징 박막 속의 고다공성 형상은 지극히 낮은 부하량으로 물 분리를 효율적으로 수행할 수 있는 촉매 활성을 가질 수 있게 한다. 다공성 박막 속의 혼합된 상들은 단일 전해조(electrolyzer) 속의 H2와 O2를 생성할 수 있는 능력을 제공한다.
이번 연구진은 저널 Advanced Materials에 “Porous Cobalt-Based Thin Film as a Bifunctional Catalyst for Hydrogen Generation and Oxygen Generation”이라는 제목으로 게재되었다(10.1002/adma.201500894).
그림. 다공성 코발트 인화물/인산염 박막의 절단면. 견고한 박막은 연료전지에서 수소와 산소를 생성하는 물-전해질 장치 속에서 백금과 같은 고가의 금속을 대체할 수 있다. 스케일 바는 500나노미터를 나타낸다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 4월 21일]
[원문보기]
Cobalt film a clean-fuel find
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| | A cobalt-based thin film serves double duty as a new catalyst that produces both hydrogen and oxygen from water to feed fuel cells, according to scientists at Rice University.
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| The inexpensive, highly porous material invented by the Rice lab of chemist James Tour may have advantages as a catalyst for the production of hydrogen via water electrolysis. A single film far thinner than a hair can be used as both the anode and cathode in an electrolysis device.
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| The researchers led by Rice postdoctoral researcher Yang Yang reported their discovery today in Advanced Materials.
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They determined their cobalt film is much better at producing hydrogen than most state-of-the-art materials and is competitive with (and much cheaper than) commercial platinum catalysts. They reported the catalyst also produced an oxygen evolution reaction comparable to current materials.
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| "It is amazing that in water-splitting, the same material can make both hydrogen and oxygen," Tour said. "Usually materials make one or the other, but not both."
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| The researchers suggested applying alternating current from wind or solar energy sources to cobalt-based electrolysis could be an environmentally friendly source of hydrogen and oxygen.
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| "Here we can just alternate the current from positive to negative and back again, and hydrogen and oxygen are made with the same material," Tour said. "And the material itself is very easy to make." He said manufacturing the film is inexpensive and scalable.
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| The lab fabricated the 500-nanometer films by anodyzing a cobalt film electrodeposited on a substrate. The assembly was then baked for two hours in a phosphorus vapor that converted it to a cobalt/phosphide/phosphate thin film without damaging its porous structure.
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| The material proved to be robust in both durability tests and in acidic and alkaline conditions, Tour said.
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