UCSC 화학자들이 갈륨을 개발하다

UC Santa Cruz 화학자들은 주변 조건에서 물을 분해하고 빠르게 수소 가스를 생성하는 알루미늄 나노입자를 만드는 간단한 방법을 개발했습니다. 물 분해 반응은 인가된 전위를 필요로 하지 않으며 주변 조건 및 중성 pH에서 합금 1g당 130mL(5.4mmol)의 수소를 빠르게 생성하는 기능을 합니다. 그들의 연구에 관한 논문은 ACS Applied Nano Materials 저널에 게재되었습니다.

알루미늄은 물 분자에서 산소를 제거하여 수소 가스를 생성할 수 있는 반응성이 높은 금속입니다. 알루미늄은 즉시 공기와 반응하여 산화알루미늄 코팅을 획득하여 추가 반응을 차단하기 때문에 젖는 제품에 광범위하게 사용하면 위험하지 않습니다.

수년 동안 연구자들은 알루미늄의 반응성을 사용하여 깨끗한 수소 연료를 생성하는 효율적이고 비용 효과적인 방법을 찾으려고 노력해 왔습니다. UCSC 연구진의 새로운 연구에 따르면 쉽게 생산되는 갈륨과 알루미늄의 합성물은 실온에서 물과 빠르게 반응하여 다량의 수소를 생성하는 알루미늄 나노입자를 생성하는 것으로 나타났습니다. 갈륨은 반응 후 재사용을 위해 쉽게 회수되었으며, 이는 이론적으로 복합재에 있는 모든 알루미늄의 반응에서 생성될 수 있는 수소의 90%를 생성합니다.

우리는 어떤 에너지 투입도 필요하지 않으며, 수소가 미친 듯이 거품을 냅니다. 나는 그런 것을 본 적이 없습니다.

알루미늄-갈륨 복합체와 물의 반응으로 인해 수소 가스 기포가 생성됩니다. 반응 동영상을 온라인으로 볼 수 있습니다. (제공: Amberchan et al., Applied Nano Materials 2022)

알루미늄과 갈륨과 물의 반응은 1970년대부터 알려져 왔으며 이에 대한 동영상은 온라인에서 쉽게 찾을 수 있습니다. 이는 실온 바로 위의 액체인 갈륨이 수동 산화알루미늄 코팅을 제거하여 알루미늄과 물이 직접 접촉할 수 있도록 하기 때문에 작동합니다. 그러나 새로운 연구에는 실제 적용으로 이어질 수 있는 몇 가지 혁신과 새로운 발견이 포함되어 있습니다.

이 기술에 대한 미국 특허 출원이 진행 중입니다. 그 기반이 된 국제(PCT) 출원은 여기에 있습니다.

이전 연구에서는 알루미늄이 풍부한 알루미늄과 갈륨의 혼합물을 주로 사용했거나 경우에 따라 더 복잡한 합금을 사용했습니다. 그러나 화학 및 생화학 교수이자 이번 연구의 공동 교신 저자인 Bakthan Singaram 연구실에서는 갈륨이 풍부한 복합재료를 사용하면 수소 생산량이 증가한다는 사실을 발견했습니다. 사실, 수소 생산 속도는 예상치 못하게 너무 높았기 때문에 연구원들은 이 갈륨이 풍부한 합금에는 근본적으로 다른 뭔가가 있을 것이라고 생각했습니다.

Oliver는 알루미늄 나노입자의 형성이 증가된 수소 생산량을 설명할 수 있다고 제안했으며 그의 연구실에는 합금의 나노규모 특성화에 필요한 장비가 있었습니다. 연구진은 주사전자현미경과 X선 회절을 사용하여 3:1 갈륨-알루미늄 복합체에서 알루미늄 나노입자가 형성되는 것을 보여주었는데, 이것이 수소 생산을 위한 최적의 비율임을 발견했습니다.

복합재의 주사전자현미경은 갈륨 매트릭스에 알루미늄 나노입자를 보여줍니다. (제공: Amberchan et al., Applied Nano Materials 2022)

갈륨이 풍부한 이 복합재에서 갈륨은 산화알루미늄 코팅을 용해시키고 알루미늄을 나노입자로 분리하는 역할을 합니다.

복합재를 만드는 데에는 간단한 수동 혼합 외에는 아무것도 필요하지 않았습니다. 복합재는 사용한 호일이나 캔을 포함하여 쉽게 구할 수 있는 알루미늄 공급원으로 만들 수 있으며, 습기로부터 보호하기 위해 사이클로헥산으로 덮어 장기간 보관할 수 있습니다.

갈륨은 풍부하지 않고 상대적으로 비싸지만 효율성을 잃지 않고 여러 번 회수하고 재사용할 수 있다고 Singaram은 말했습니다. 그러나 이 공정이 상업적인 수소 생산에 실용적으로 확장될 수 있는지는 아직 알 수 없습니다.

이 작업은 Ima Hernandez 재단의 자금으로 부분적으로 지원되었습니다.

자원

Gabriella Amberchan, Isai Lopez, Beatriz Ehlke, Jeremy Barnett, Neo Y. Bao, A'Lester Allen, Bakthan Singaram 및 Scott RJ Oliver(2022) "물 분해 및 수소 생성을 위한 Ga-Al 복합재의 알루미늄 나노입자" ACS 적용 나노소재 doi: 10.1021/acsanm.1c04331