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동향 기본정보
나노 촉매가 낮은 에너지에서 작용할 수 있는 플라즈몬 효과
동향 개요
| 기관명 | NDSL |
|---|---|
| 작성자 | KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 |
| 작성일자 | 2018-10-05 00:00:00.000 |
| 내용 | 라이스 대학 (Rice University) 나노 과학자들은 촉매를 보다 효율적으로 만드는 플라즈몬 효과 때문에 광 에너지만을 사용하여 대기압에서 암모니아를 수소 연료로 전환시킬 수 있는 새로운 촉매를 시연했다 (Science, 'Quantifying hot carrier and thermal contributions in plasmonic photocatalysis'). 연구팀의 연구는 극소량의 루테늄 금속을 포함하는 구리로 대부분 만들어진 새로운 촉매 나노 입자를 설명한다. 실험에 따르면 루테늄이 암모니아 분자를 분해하는데 필요한 '활성화 장벽' 또는 필요한 최소 에너지를 크게 낮추는 광 유도 전자 프로세스로부터 촉매가 유리한 것으로 나타났다. 이 연구는 온실 가스 온난화에 기여하지 않을 탄소가 없는 액체 암모니아 연료에 대한 기반 시설과 시장을 개발하기 위해 정부와 업계가 수십억 달러를 투자함에 따라 이루어진다. 그러나 플라즈몬 효과는 '암모니아 경제' 이상의 의미를 가질 수 있다. 촉매 활성화 장벽을 줄이기 위한 일반화된 접근 방법은 촉매가 대부분 상업적으로 생산되는 화학 물질의 제조에 사용되기 때문에 많은 경제 부문에 영향을 미친다. 광 활성화 나노 물질의 '다른 촉매 금속이 우리의 합성에서 루테늄으로 대체 될 수 있다면, 이 플라즈몬 이점은 다른 화학적 전환에 적용될 수 있어 지속 가능성이 높고 비용도 적게 든다. 촉매는 반응하지 않고 화학 반응 속도를 높이는 물질이다. 일상적인 예는 차량의 배기 가스로부터 유해한 배출을 감소시키는 촉매 컨버터이다. 화학 생산 업체는 매년 촉매에 수십억 달러를 쓰지만 대부분의 산업 촉매는 고온 및 고압에서 가장 잘 작동한다. 암모니아의 분해가 좋은 예이다. 암모니아의 각 분자는 하나의 질소와 3 개의 수소 원자를 포함한다. 루테늄 촉매는 암모니아를 분해하여 부산물만 물인 수소 가스 (H2)와 지구 대기의 약 78 %를 차지하는 질소 가스 (N2)를 생산하는데 널리 사용된다. 이 공정은 암모니아가 루테늄에 부착되거나 흡착되는 것으로 시작하여 암모니아의 결합이 하나씩 끊어짐에 따라 일련의 단계를 거친다. 그 다음에 남은 수소와 질소 원자는 파트너를 잡고 루테늄 표면을 떠나거나 탈착된다. 이 마지막 단계는 질소가 루테늄에 대해 강한 친화력을 가지며 주변에 달라 붙는 것을 좋아하기 때문에 표면이 다른 암모니아 분자를 끌어 당기는 것을 차단하므로 가장 중요한다. 이를 위해 더 많은 에너지가 시스템에 추가되어야 한다. 구리 - 루테늄 촉매의 효율은 루테늄 반응 사이트에서 국부적인 에너지를 생성하는 빛에 의해 유도된 전자 프로세스에서 유래하며 탈착을 돕는다. “핫 캐리어 구동 광촉매 (hot carrier-driven photocatalysis)'라고 알려진 이 공정은 구리 나노 입자를 통해 끊임없이 소용돌이 치고 있는 전자의 기원을 가지고 있다. 들어오는 빛의 일부 파장은 전자의 바다와 공진하고 국부적인 표면 플라즈몬 공명이라고 불리는 리듬 진동을 일으킨다. 연구팀은 색 변화 유리, 분자 감지, 암 진단 및 치료 및 태양 에너지 수집과 같은 다양한 응용 분야에 플라즈몬 공명을 이용하는 기술의 발전을 선도해 왔다. 2011 년에 플라즈몬이 빛이 금속과 부딪힐 때 생성되는 '핫 캐리어 (hot carrier)'라 불리는 단 수명의 고 에너지 전자의 양을 증가시키는데 사용될 수 있음을 보여 주었다. 또한 2016 년 플라즈몬 나노 입자가 안테나로 작용하여 광 에너지를 포착하여 근접장 광학 효과 (near-field optical effect)를 통해 인접한 촉매 반응기로 이동시키는 '안테나 - 반응기' 설계에서 촉매와 반응할 수 있음을 보여주었다. 주요 촉매 효과는 빛을 흡수할 때 안테나에 의해 유도된 근접장에서 비롯된 것이다. 이 근접장은 인접한 반응기에서 생성을 시작하고, 이로 인해 핫 캐리어가 생성된다. 그러나 우리가 직접 반응기에 닿아 반응을 일으킬 수 있는 핫 캐리어를 가질 수 있다면 훨씬 더 효율적이다. 연구팀은 적혈구보다 훨씬 작은 구리 - 루테늄 나노 입자의 합성을 수 개월을 보냈다. 각 나노 입자는 수십만 개의 구리 원자를 포함하지만 입자 표면의 일부 구리 원자 대신에 수천 개의 루테늄 원자를 포함한다. 기본적으로 구리 원자 바다에 흩어져 있는 루테늄 원자가 있으며 빛을 흡수하는 것은 구리 원자이고 전자는 집합적으로 앞뒤로 흔들리고 있다. 일단 이들 전자 중 일부가 비 방사성 플라즈몬 소멸라고 불리는 양자 프로세스를 통해 충분한 에너지를 얻으면 루테늄 사이트 내에서 자신을 국한시키고 촉매 반응을 향상시킬 수 있다. 실내 온도는 약 300 켈빈이며 플라즈몬 공명은 이러한 핫 전자의 에너지를 10,000 켈빈까지 올릴 수 있으므로 루테늄에 국한할 때 그 에너지는 분자 내의 결합을 끊고 흡착을 돕는 데 사용될 수 있다. 화창한 오후에 금속 피크닉 테이블이 가열되는 것처럼, 햇빛을 기다리는 흰색 레이저 광도 구리 - 루테늄 촉매를 가열시킨다. 연구팀은 열 감지 카메라를 사용하여 열 운반자에 의해 유도된 열 영향 촉매 효과를 얻기 위해 힘든 측정을 하면서 몇 달을 보냈다. 광 에너지의 약 20 %가 암모니아 분해를 위해 포집되었다. 연구팀은 이것을 개선하고 보다 효율적인 촉매를 만들 수 있다고 생각한다. 연구팀은 이미 다른 촉매 금속이 루테늄으로 대체될 수 있는지를 보기 위해 후속 실험을 하고 있으며 초기 결과는 유망하다고 말했다. 플라즈몬 매개 광화학에서 핫 캐리어의 구체적인 역할에 대한 통찰력을 얻었으므로 특정 응용 분야에 적합한 에너지 효율적인 플라즈몬 광촉매를 설계하는 단계이다. |
| 출처 | |
| 원문URL | http://click.ndsl.kr/servlet/OpenAPIDetailView?keyValue=03553784&target=TREND&cn=GTB2018004608 |
| 첨부파일 |
추가정보
| 과학기술표준분류 | |
|---|---|
| ICT 기술분류 | |
| 주제어 (키워드) | 1. 루테늄, 플라즈몬, 광촉매, 암모니아, 수소, 핫 캐리어 2. ruthenium, plasmon, photocatalyst, ammonia, hydgrogen, hot carrier |