| 다롄화학물리연구소, 새로운 수소저장 금속유기화합물 합성 | ||
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 최근 중국과학원 다롄화학물리연구소 복합수소화물재료화학연구팀 허텅(何騰)/천핑(陳萍) 연구팀은 샤먼대학 우안안(吴安安), 미국 퍼시픽노스웨스트 국립연구소(PNNL) Tom Autrey 등과 공동으로 새로운 수소저장 금속유기화합물을 합성했다. 해당 연구성과는 "Angew. Chem. Int. Ed." 학술지의 속표지에 게재되었다. 수소는 에너지밀도가 높고 오염이 없는 등 장점이 있어 에너지 저장·수송의 이상적 담체로 인정받고 있다. 하지만 안전하고 고효율적인 수소저장 매개체의 결여는 수소에너지 응용기술의 어려움으로 되었다. 현재 세계 대형 자동차회사는 전부 고압가스탱크를 상업 연료전지 자동차의 수소저장시스템으로 채택하고 있다. 그러나 해당 시스템의 압력은 350-700bar에 달해 안전성 우려가 있다. 이외 고압가스탱크 본체 재료가 고강도 탄소섬유이기에 제조비용이 높다. 이 또한 연료전지 자동차의 빠른 보급을 제한하는 원인이다. 지난 20년 동안 수소가스를 응집상태 물질에 저장하기 위한 연구에 관심이 집중되면서 다양한 신소재가 끊임없이 개발되었으나 모두 고유의 단점이 존재하였다. 따라서 안전하고 고효율적이며 저렴한 수소가스 저장·수송 담체 개발은 연료전지 자동차 보급뿐만 아니라 수소에너지 규모화 응용에 효과적인 해결방안을 제공할 수 있다. 연구팀은 금속의 전기음성도 차이를 이용한 유기 수소저장재료 전자 성질 수식을 통해 일종의 새로운 유기-무기 하이브리드 수소저장시스템—금속유기화합물을 합성했다. 이론적 계산 결과 유기 탄소 고리의 전자 밀도 증가는 유기물의 탈수소 엔탈피 변화를 효과적으로 줄일 수 있고 전자 밀도가 높을수록 탈수소 엔탈피 변화는 더 적었다. 강한 전자 공여성을 보유한 알칼리금속 또는 알칼리토금속으로 유기 수소저장재료를 개질한 결과, 탄소고리의 전자 밀도는 뚜렷하게 증가했고 유기재료의 탈수소 엔탈피 변화는 효과적으로 줄었다. 이론적 계산 결과 금속의 전자 공여성이 증강함에 따라 재료의 탈수소 엔탈피 변화는 더 적어졌는바, 상이한 금속을 선택하는 방법으로 재료의 탈수소 엔탈피 변화를 제어 가능한 조절을 할 수 있고 나아가 열역학적 차원에서 재료의 탈수소 온도를 제어할 수 있다. 나트륨으로 수식한 페놀-사이클로헥산올을 예로 들어, 해당 계산을 통해 탈수소 엔탈피 변화를 64.5kJ/mol-H2에서 50.4kJ/mol-H2로 줄일 수 있다. 아울러 금속의 전자 공여성이 증강함에 따라 사이클로헥산올나트륨 α부위의 C-H 결합길이는 증가하는 등 양자는 선형관계를 형성했다. 이는 재료가 유기-무기 하이브리드화를 거친 후 이미 활성화되었고 또한 탈수소 과정에서 α부위 C-H 결합이 우선적으로 파쇄됨을 설명한다. 실험 결과 나트륨페놀라이트-사이클로헥산올나트륨 시스템은 150℃ 조건과 상업 촉매의 작용에 의해 가역적 수소저장 순환을 완성할 수 있다. 뿐만 아니라 재료를 물에 용해시켜 수소저장 순환반응을 일으킨 후 재료의 수소화·탈수소화 온도를 100℃ 이하로 낮출 수 있는데 이같이 뚜렷한 하락은 일반 액상 유기 수소저장재료에서 볼 수 없었다. 동 유형의 금속 유기화합물은 상온 상압 조건에서 수소를 저장·수송할 수 있기에 고압가스탱크의 위험을 낮출 수 있다. 그리고 유기 기질은 종류가 많고 변화가 다양한 관계로 무기금속과 하이브리드화 시킨 후 더 많은 종류의 후보재료를 파생시킬 수 있어 선별의 여지가 크다. 해당 연구는 미래 저온 가역적 수소저장재료 개발을 위해 새로운 아이디어를 제공했다. 정보출처 : http://www.cas.cn/syky/201902/t20190227_4680475.shtml |
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