새로운 자기장 통합으로 녹색 과산화수소 생산 향상

연구자들은 소독, 표백, 하수 처리와 같은 산업용 응용 분야에 필수적인 화학 물질인 과산화수소를 생성하는 전기화학 반응의 효율성을 개선하는 데 획기적인 진전을 이루었습니다. 산소 환원 반응(ORR)이라고 하는 이 반응은 통합 자기장을 갖춘 새로운 종류의 이종 분자 촉매를 개발하여 개선되었습니다.

과산화수소(H2O2)를 생산하는 기존 방법에는 불행한 단점이 있습니다.

이 과정은 많은 에너지를 소모하며, 농축된 최종 제품은 안전하게 운송하기 어렵습니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 효율성이 높을 뿐만 아니라 환경 친화적인 전기화학적 방법을 모색했습니다.

연구진은 카본 블랙(CB)에 코발트 프탈로시아닌(CoPc) 분자를 고정한 다음, 이를 폴리머로 보호된 자성(Mag) 나노입자와 통합하여 새로운 촉매를 설계했습니다.

이 독특한 구조는 코발트 활성 부위의 효과적인 스핀 상태 조작을 가능하게 하여 촉매 성능을 크게 향상시킵니다.

연구진은 CoPc/CB-Mag 촉매가 90%라는 놀라운 H2O2 생산 효율을 달성하고 반응의 효율을 크게 향상시킨다는 것을 발견했습니다.

특히, 이 촉매는 최소한의 자기 재료만 필요로 합니다. 기존 방식보다 최대 7배까지 적기 때문에 대규모 응용 분야에 더 안전하고 실용적입니다.

"저희의 통합 자기장 접근법은 원자 구조를 변경하지 않고 코발트 중심을 저스핀 상태에서 고스핀 상태로 전환할 수 있습니다."라고 Advanced Institute for Materials Research(WPI-AIMR)의 Di Zhang이 말했습니다. "이 스핀 전환은 산소 환원 및 진화 반응 모두에서 촉매의 고유 활동을 극적으로 개선합니다."

이 새로운 촉매의 근본적인 메커니즘을 이해하기 위해 그들은 포괄적 밀도 함수 이론(DFT) 계산이라는 기술을 사용했습니다.

이것이 왜 그리고 어떻게 작동하는지 이해하는 것은 향후 연구에 중요합니다.

"우리는 고스핀 Co 사이트가 산소 함유 중간체와 더 강한 결합을 보이는 것을 발견했는데, 이는 효율적인 촉매 작용에 필수적입니다."라고 하오 리(Hao Li) 부교수가 설명했습니다. "자기장에 의해 유도된 스핀 분극은 또한 반응 단계 동안 전자 전달과 스핀 전이를 용이하게 하여 촉매 반응 속도를 높입니다."

"실험 결과와 이론적 통찰력의 조합은 자기장이 촉매 성능을 어떻게 향상시킬 수 있는지에 대한 포괄적인 그림을 제공합니다."라고 Li는 덧붙여 말했습니다. "이것은 미래에 새로운 촉매를 설계할 때 지침이 될 수 있습니다."

이러한 연구 결과는 촉매 활성 물질의 합리적 설계로 이어져 과산화수소와 기타 부가가치가 있는 화학 물질을 생산하는 보다 효율적이고 환경 친화적인 경로를 목표로 하며, 지속 가능한 산업 공정과 탄소 중립 에너지 기술에 대한 전 세계적 노력에 기여할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241115124842.htm