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S. Korean scientists develop efficient, cheap way to make hydrogen from water
SEOUL, April 23 (Yonhap) -- South Korean scientists on Tuesday said they have developed an efficient and affordable way to make hydrogen, opening new potential for the production of the clean energy resource.
The researchers led by Hyeon Taeghwan, director of the Center for Nanoparticle Research at the Institute for Basic Science, and Seoul National University (SNU) professor Nam Ki-tae said they have, for the first time ever, successfully created a single atom heterogeneous catalysis that mimics enzymes used by the human body to convert water into hydrogen using regular light.
The process using copper and titanium dioxide as catalyst material has been published in the latest issue of Nature Materials under the title "Reversible and cooperative photoactivation of single atom copper-titanium dioxide photocatalysts."
This photo provided by the Institute for Basic Science shows hydrogen being created from water in a lab using light from a solar simulator and a single-atom heterogeneous catalyst. (Yonhap)"The newly created platform technology utilizes copper atoms placed over nano titanium dioxide particles to create a catalyst that acts like an enzyme in creating hydrogen under normal atmospheric pressure and at room temperature," said Hyeon, who is also a distinguished professor at SNU.
Experiments showed a gram of the material used in the catalyst can create 30 milligrams of hydrogen per hour under good lighting.
Hydrogen is expensive to make despite accounting for the bulk of the mass in the known universe. If it can be made economically, the resource can solve many of the world's energy needs. The global market size for hydrogen was estimated at over US$115 billion in 2017.
Hyeon said that at present, most hydrogen is made through a methane reformation technique that is criticized for being energy-intensive, uses fossil fuel and releases greenhouse gases into the air.
The latest findings show the new method can harness more than 40 percent of the light used into a hydrogen transformation reaction, which is on par with the efficiency level of catalysts that use extremely expensive platinum.
The platinum-titanium dioxide method is regarded as the most efficient way to retrieve hydrogen from water using light.
The research team, which also includes Kim Hyungjun from the Korea Advanced Institute of Science and Technology, said the new copper-titanium dioxide catalyst can produce 33 times more hydrogen compared with just using titanium dioxide.
It said with more work, the technology can be further developed down the road for industrial level production although such a process could take time.
yonngong@yna.co.kr
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불균일촉매 상용화 걸림돌인 효율성 높이는데 성공[서울신문]
수소차 이미지국내 연구진이 생체 속 효소와 비슷한 형태의 촉매를 만들어 수소생산 효율을 50% 이상 향상시킬 수 있는 기술을 개발해 주목받고 있다.
기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단, 서울대 재료공학부, 카이스트 화학과 공동연구팀은 몸 속 효소처럼 주변 환경변화에 따라 최적화되는 불균일 촉매를 개발했다고 22일 밝혔다. 이번 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘네이처 머티리얼즈’ 23일자에 실렸다.
에너지 산업 분야에서 다양한 촉매가 사용되고 있는데 현재는 대부분 균일촉매를 사용하고 있다. 균일촉매는 효율은 높지만 재활용이 어렵고 비용이 많이 들며 환경친화적이지 못하다는 단점이 있다. 반면 불균일촉매는 재활용이 가능하고 저렴하지만 효율이 낮다는 문제가 있다.
연구팀은 균일촉매와 불균일촉매의 장점을 결합한 새로운 촉매를 개발하기 위해 생체내 효소의 작동원리를 모방한 불균일촉매를 개발했다. 빛을 받으면 촉매작용을 하는 이산화티타늄 나노입자에 구리입자를 올려 효소처럼 단원자 구리-이산화티타늄 촉매를 만든 것이다.
이번에 개발한 촉매는 생체내 효소처럼 구리와 이산화티타늄이 전자를 주고 받는 상호작용을 통해 구조를 변화시켜 효소와 유사하게 촉매반응에 참여한다는 것을 밝혀냈다. 보통 효소는 주변 단백질과 수소를 주고받는 상호작용을 통해 주변환경과 반응하기 적합한 형태로 자신의 구조를 바꿔 촉매반응에 참여한다는 특징이 있다.
개발된 촉매를 이용해 수소를 생산하는 모습 - 개발한 단원자 구리-이산화티타늄 촉매를 수소 생산 반응에 적용해 실험하는 모습IBS 제공연구팀은 이번에 개발한 촉매로 햇빛을 이용해 물을 수소로 생산하는 반응에 적용시킨 결과 전달받은 빛의 40% 이상을 수소전환반응에 사용하는 뛰어난 수소생산성능을 확인했다. 이는 현재 가장 성능이 우수하다는 평가를 받는 백금, 이산화티타늄 광촉매와 비슷한 성능을 보였다. 더군다나 촉매 사용후 다시 회수해 재활용할 수 있어 폐촉매로 인한 환경오염 문제도 해결해줄 수 있는 것으로 분석됐다.
연구책임자인 IBS 나노입자연구단 현택환 단장은 “이번 연구는 불균열촉매의 작동원리를 원자적 수준에서 규명하고 생체효소와 비슷한 형태로 만들어 냈다는데 의미가 있다“며 “이번에 개발한 촉매를 이용하면 상용화의 걸림돌인 낮은 효율 문제를 해결해 수소 같은 친환경 에너지를 값싸고 효율적으로 이용할 수 있는 길이 열릴 것”이라고 설명했다.
유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr
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