소식

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최근 남중국 공과대학의 Liu Detao 교수와 그의 팀은전기합성 과산화수소 생산 효율을 향상시키기 위한 새로운 방법이 개발되었습니다.

연구 기간 동안 연구팀은 분자, 나노미터, 밀리미터 및 기타 재료 규모에서 시작하여 차세대 바이오매스 기반 2e 전기촉매 재료 설계를 위한 새로운 개발 경로를 제공했습니다.

연구팀은 기체 확산 전극 제조 방법을 최적화한 결과 하이드로퍼옥사이드의 합성 수율이 510.58 mg·L -1 ·cm -2 ·h -1 에 도달할 수 있음을 발견했습니다.

이 수율은 현재의 다른 바이오매스 탄소 기반 촉매 물질보다 수십 배 더 높으며, 석유계 탄소 기반 촉매 물질의 수율보다 몇 배 더 높습니다.

그림 | 연구단 사진 (출처: 데이터맵)

나노셀룰로오스가 이번 연구의 주요 대상이다. 다공성이 높고 비표면적이 높다는 장점이 있으며 산소 함유 작용기가 배위된 3차원 에어로겔 구조에 적용할 수 있습니다.

1차원 나노셀룰로오스 표면의 특수한 금속이온 배위와 동결건조 기술을 이용하면 '제올라이트 이미다졸 골격-나노셀룰로오스 폼'이라는 소재를 만들 수 있다.

이 물질은 밝은 보라색 외관을 가지며 구조가 비교적 안정적입니다. 탄화와 같은 공정 후에 이 물질은 산소 포집을 위한 풍부한 활성 사이트를 생성할 수 있습니다.

그림 | 코발트 배위로 합성된 나노셀룰로오스-제올라이트 이미다졸 골격-나노셀룰로오스 폼 에어로겔 샘플(출처: Small)

또한, 나노복합 사산화코발트 구조를 형성할 수 있어 전자 이동 효율을 향상시키는 데 매우 도움이 되며, 결과적으로 전기합성 과산화수소의 생성 효율을 향상시킬 수 있습니다.

연구 기간 동안 팀은 시너지 효과를 낼 수 있는 이중 음극 전기 펜톤 기술 장치도 설계했습니다.일반적인 유기 오염물질을 고효율로 분해할 수 있으며 제거율은 30분 이내에 99.43%에 이릅니다.

양식 폐수, 페인트 폐수, 제지 폐수 및 기타 폐수의 경우에도 이 기술은 효율적이고 신속한 오염 제거 및 정화 기능을 달성할 수 있습니다.

따라서 기존의 화학적 살균정제 기술을 대체하고 건강한 식수 및 실외 휴대형 정수 소독제 역할을 할 수 있다는 점은 매우 유망하다.

보고서에 따르면 매우 중요한 녹색 화학물질인 과산화수소는 반도체, 의료, 환경 제어, 정밀 화학 및 기타 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다.

현재 산업 규모의 과산화수소 생산에서 사람들은 주로 "안트라퀴논법"이라는 방법을 사용합니다.

고비용, 복잡한 조작, 환경 오염, 안전하지 않은 운송 및 보관 등의 문제가 있어 야생 지역이나 오지에서는 사용하기 어렵습니다.

2e-ORR 전기화학적 방법을 사용하여 과산화수소를 합성함으로써 작동이 쉽고 생산 효율이 높을 뿐만 아니라 전기화학적 안정성이 매우 우수하여 일부 휴대용 응용 분야에 특히 적합합니다.

그러나 현재 대부분의 음극전극촉매는 귀금속 및 석유탄소 기반 소재에 의존하는 경우가 많아 원료 수급에 제한이 있을 뿐만 아니라 높은 경제적 비용을 발생시킨다.

그러나 현재 재생 가능한 바이오매스 셀룰로오스 자원의 전 세계적 활용은 차세대 대체 음극 재료 개발을 위한 귀중한 기회를 제공합니다. 동시에 이러한 재료는 저렴한 가격, 광범위한 공급, 생태 및 환경 보호라는 장점을 가지고 있습니다.

그러나 기존의 바이오매스 유래 2e 전기촉매의 경우 탄소 결함이 적고, 산소 결손이 부족하며, 전자 전달 능력이 떨어지는 등의 문제로 만족스러운 과산화수소 생산 효율을 달성하지 못했습니다.

따라서 전기화학적으로 합성된 과산화수소를 효율적으로 합성하는 데 사용할 수 있는 바이오매스 기반 2전자 전기촉매 재료를 설계하는 것은 중요한 실무적 중요성을 가지며 소독 및 고급 산화 기술 분야에서 중요한 응용 전망을 달성할 수 있습니다.

(출처 : 소형)

앞서 언급했듯이 나노셀룰로오스는 이 프로젝트에서 중요한 역할을 합니다. 바이오매스 나노셀룰로오스는 자연에 풍부할 뿐만 아니라 재생 가능한 특성도 가지고 있습니다.

팀의 석사과정 학생인 Qian Zhiyun은 이 프로젝트를 받은 이후 재료 및 구조 설계의 사전 심사 작업을 진행해 왔습니다.

마이크론 크기의 셀룰로오스 분말부터 용해된 재생 셀룰로오스, 일반 종이섬유까지 많은 시도를 했으나 좋은 결과를 얻지 못했습니다.

나중에 그녀는 나노셀룰로오스의 2e 선택성을 향상시키고 분자 규모와 나노 규모에서 과산화수소의 수율을 높이려는 노력을 시작했습니다.

나노셀룰로오스의 표면에는 친수성 산소 함유 그룹이 많이 포함되어 있으며, 비표면적도 상대적으로 큽니다.

분자 수준에서 친수성 셀룰로오스 마이크로피브릴 또는 나노피브릴은 나노미터 이하 수준의 크기를 갖는 다수의 산소 함유 수산기와 셀룰로오스 분자 사슬을 가지고 있습니다.

위에서 언급한 장점을 바탕으로 매우 쉽게 표면 기능화할 수 있습니다. 이러한 방식으로 나노 규모 또는 미크론 규모의 셀룰로오스의 기능적 구조를 인위적으로 조정할 수도 있습니다.

그림 | 구조도(출처: Small)

이를 바탕으로 1차원 나노셀룰로오스의 코발트 배위결합을 통해 나노구조의 제올라이트 이미다졸 골격-나노셀룰로오스 폼이 나노셀룰로오스 주변에서 직접 성장할 수 있다.

동시에 Qian Zhiyun 등은 나노셀룰로오스 에어로젤을 기질로 사용했습니다. 제올라이트 이미다졸 골격-나노셀룰로오스 폼 나노입자의 경우 나노셀룰로오스 표면에 균일한 성장을 이룰 수 있다는 장점이 있다.

또한 이러한 나노입자는 긴밀한 상호 연결을 달성하여 원래 구조의 치수 안정성을 보장하고 흘림 및 변형을 방지합니다.

이를 통해 간단하고 저렴한 방법으로 코발트-나노셀룰로오스 에어로겔 샘플을 만들 수 있습니다.

그림 | 촉매 미세구조(출처: Small)

이어서, 분자 공학 및 고온 열분해를 사용하여 위에서 언급한 샘플은 조밀한 나노셀룰로오스 네트워크 구조 내에서 높은 산소 포획 활성 사이트를 완전히 생성할 수 있습니다.

이때, 1차원 바이오 숯에 고정된 나노구조의 사산화코발트를 따라 전자가 전달되어 우수한 하이드로퍼옥사이드 수율을 얻을 수 있다.

그림 | 과산화수소 합성 수율 및 패러데이 효과(출처: Small)

일반적으로 초기 방향성 없는 탐사부터 금속배위 분자공학 설계까지, 연구팀은 바이오탄소 자원인 나노셀룰로오스가 탁월한 잠재력을 발휘할 수 있도록 했다.

최근 Small(IF 13)에 "Scalable Cathodic H2O2 Electrosynesis using Cobalt-Coordinated Nano셀룰로오스 Electrocatalyst"라는 제목의 관련 논문이 게재되었습니다.

그림 | 관련논문 (출처: Small)

제1저자는 남중국공과대학 석사과정 Qian Zhiyun이고, 교신저자는 Liu Detao 교수이다.

그림 | 논문 제1저자 Qian Zhiyun (출처: 데이터 맵)

보고에 따르면, 전기화학적 합성은 오래되었지만 새로운 핵심 기술로, 간단하고 효율적이며 친환경적이고 안전하며 비용이 저렴하고 확장이 용이하여 매우 매력적인 상업적 가치를 보여줍니다.

수년에 걸쳐 중국 과학자들은 새로운 전기화학적 합성 기술을 개발함으로써 다른 방법으로는 극복하기 어려운 많은 기술적 과제를 해결해 왔습니다.

이전의 많은 기술 성과가 대규모로 적용되어 업계의 일반적인 기술 문제에 대한 새로운 솔루션을 제공합니다.

음극, 양극 등을 포함한 기능성 재료는 항상 전기화학 합성의 핵심 핵심이며, 이는 전기화학 합성의 효율성, 비용 및 작동 수명을 어느 정도 결정합니다.

따라서 새로운 대체 고성능 전기촉매 재료의 지속적인 개발은 과학 연구자들이 추구해 온 목표입니다.

따라서 앞으로 팀은 새로운 고급 2e-ORR 물질을 준비하기 위해 셀룰로오스 분자의 변형에 중점을 둘 것입니다.

비용을 절감하고 준비 과정을 단순화하기 위해 외부 기업과 산학연 협력을 진행해 논문 구현과 산업 발전의 병목 현상도 해소할 예정이다.

연구원은 “현재 많은 기업에서 협조를 구하며 전화와 방문을 해왔다”고 말했다.

참고자료:

1. Qian, Z., Liu, D., Liu, D., Luo, Y., Ji, W., Wang, Y., ... & Duan, Y. (2024). 코발트 배위 나노셀룰로오스 전기 촉매를 사용한 확장 가능한 음극 H2O2 전기 합성. Small, 2403947.

조판: 추지아시(Chu Jiashi)

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