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[퓨처 Eyes(53)] 세계 최초, 나노 크기 물방울 생성 실시간 포착
- 수소와 산소를 결합하는 과정을 통해 나노크기의 물방울 생성 장면이 처음으로 포착됐다. 미국 노스웨스턴 대학교 연구팀이 은백색 금속인 팔라듐(Pd)을 이용해 수소와 산소를 결합, 나노 크기의 물방울을 실시간으로 생성하는 과정을 세계 최초로 관찰하고 촬영하는 데 성공했다. 이 연구는 심우주 탐사에서 물을 생산하는 혁신적인 기술로 활용될 가능성을 제시하며 주목받고 있다. PHYS.org, IFL사이언스, 사이언스 얼러트 등 다수 외신이 이 같은 내용을 중점적으로 다루었다. 팔라듐 반응으로 나노 물방울 생성 물(H₂O)의 성분은 간단하다. 수소 원자 2개와 산소 원자 1개를 섞으면 지구 생명체 유지에 가장 중한 물 분자가 만들어진다. 연구팀은 팔라듐 반응을 직접 관찰하기 위해 20나노미터(1나노미터는 10억분의 1미터) 너비의 팔라듐 조각 표면에 수소와 산소 원자를 추가하고 멤브레인을 사용해 이어지는 상호작용을 포착했다. 팔라듐은 수소를 흡수하고 저장하는 능력이 뛰어난 금속으로, 수소가 팔라듐 구조 내부로 들어가 산소와 빠르게 결합하면서 물을 생성한다. 이번 연구에서는 벌집 모양의 나노 반응기와 초박막 유리 멤브레인을 사용해, 팔라듐 표면에서 수소와 산소가 결합해 물방울을 형성하는 과정을 실시간으로 시각화했다. 연구팀은 고진공 투과 전자 현미경을 이용해 이 극미세 반응을 관찰했다. 벌집 모양의 나노 반응기는 기체 분자를 가두어 서로 반응하게 한 후, 그 과정을 초박막 멤브레인을 통해 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 구현했다. 이를 통해 연구팀은 팔라듐이 수소와 산소를 빠르게 물로 변환하는 나노 단위의 과정을 확인했다. 전자 에너지 분광법을 통한 분석 연구팀은 팔라듐 표면에서 생성된 나노 크기의 물방울을 전자 에너지 분광법(EELS)을 사용해 분석했다. 이 방법은 전자를 시료에 쏘아 전자의 에너지 손실을 측정함으로써 시료의 화학적 결합 상태를 파악하는 기술이다. 이를 통해 연구팀은 팔라듐 표면에서 발생하는 물 분자의 결합 상태와 생성 과정을 정밀하게 관찰할 수 있었다. 이는 또한 인도의 달 탐사선 찬드라얀 1호가 달에서 물의 존재를 확인하는데 사용된 것과 동일한 기술이기도 하다. 2008년 발사된 찬드라얀 1호는 얼름, 헬륨-3을 포함한 달의 자원을 조사했다. 물은 인류 생존에 중요한 요소로 과학자들은 달의 남극에서 상당한 양의 물을 발견했으며, 미래의 우주 임무에서 달의 물을 활용하는 점에 주목하고 있다. 게다가 지난 2023년 8월 23일 찬드라얀 3호가 달에서 물이 풍부한 지역으로 알려진 남극 지역에 세계 최초로 착륙해 달 탐사의 새로운 이정표를 세웠다. 우주에서 물 생성 응용 가능성 이번 연구는 심우주 탐사에서 물을 현지에서 생산할 수 있는 가능성을 열었다. 팔라듐을 이용해 수소를 미리 우주선에 저장해두면, 우주 비행사들은 산소만 추가해 식수를 생산할 수 있는 방법을 제시한 것이다. 이는 달, 화성,목성 탐사와 같은 장기 우주 미션에서 중요한 자원 확보 방식으로 활용될 수 있다. 연구의 시니어 저자인 노스웨스턴 대학교 비나약 드라비드 교수는 "나노 규모의 물방울을 직접 시각화함으로써, 극한의 반응 조건 없이도 가스와 금속 촉매를 사용해 빠르게 물을 생성할 수 있는 최적의 조건을 파악할 수 있었다"고 밝혔다. 그는 "이 기술은 우주 환경뿐만 아니라, 수소 연료 전지와 같은 에너지 생산 기술에도 중요한 영향을 미칠 것"이라고 덧붙였다. 팔라듐의 촉매 역할과 수소 에너지 팔라듐은 연성과 전성이 뛰어나 가공하기 쉽고, 내부식성이 강하며 고온에서도 안정적이다. 특히 촉매 활성이 뛰어나 다양한 화학 반응에 활용되며, 수소를 흡수하는 능력 덕분에 최근 수소 에너지와 연료 전지 분야에서 그 중요성이 더욱 커지고 있다. 이번 연구는 팔라듐이 수소와 산소를 결합해 물을 생성하는 속도가 수소와 산소의 주입 순서에 따라 크게 달라진다는 사실을 밝혀냈다. 이는 우주 공간과 같은 특수 환경에서 물을 효율적으로 생산하는 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다. 영화 '마션'의 현실화 연구팀은 영화 '마션'에서 주인공 마크 와트니(맷 데이먼 분)가 화성에서 로켓 연료를 태워 수소를 추출하고 산소와 결합해 물을 만든 장면을 언급하며, "우리 기술도 극한 환경 없이 팔라듐과 기체만으로 물을 생성할 수 있다"고 설명했다. 이는 우주 탐사에서 더 간단하고 효율적인 물 생산 방법을 제시한 것이다. 이 연구 결과는 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재되었으며, 향후 우주 탐사 및 수소 에너지 분야에서 중요한 응용 가능성을 제시하고 있다.
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[퓨처 Eyes(53)] 세계 최초, 나노 크기 물방울 생성 실시간 포착
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코발트 없는 전극 개발 성공, 전기차 배터리의 새로운 기준
- 현재 출시되고 있는 전기자동차(EV)는 환경적, 사회적 비용이 많이 드는 희소하고 값비싼 금속인 코발트를 사용하는 리튬 이온 배터리로 구동된다. 그런데 최근 니켈 이온으로 구현되는 코발트 없는 전극이 개발됐다. 20일(현지시간) 전자기술 매체 테크익스플로어(techxplore)는 일본과 프랑스 대학 연구팀이 전기 자동차용 코발트 프리 배터리의 새로운 지평을 열 실용적인 니켈 기반 전극 재료를 개발했다고 보도했다. 요코하마 국립대학교 나오아키 야부우치(Naoaki Yabuuchi) 박사는 "리튬 이온 배터리용 코발트가 없는 고에너지 전극 재료에 대한 절실한 필요성이 있다"고 말했다. 리튬 이온 배터리는 리튬 이온이 양극으로 충전된 전극에서 음극으로 충전된 전극으로 흐를 때 재충전된다. 대부분의 휴대용 전자제품용 리튬 이온 배터리의 양극에는 높은 안정성과 에너지 밀도를 제공하는 화합물인 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)이 포함돼 있다. 그러나 코발트 공급망은 한정적이고 문제가 많아 전기차를 포함한 대형 배터리 생산에 병목현상을 일으키고 있다. 더욱이 코발트 추출 과정은 유독성 폐기물을 발생시켜 토양, 공기, 물을 오염시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 LiCoO2와 구조가 유사한 리튬 니켈 산화물(LiNiO2)은 종종 코발트가 없는 전극 재료의 대안으로 사용된다. 하지만 이 화합물은 주요 불안정성 문제로 어려움을 겪고 있다. 특히, 높은 전압 영역에서 니켈 이온 이동과 관련된 점진적인 용량 손실이 발생한다. 니켈 이온은 부분적으로 다른 금속 이온으로 대체되어 전극의 가역성을 향상시켰다. 코발트 이온 외에도 망가니즈, 알루미늄, 마그네슘 등이 재도입되어, 이러한 조합은 '니켈 풍부 층상 재료'를 형성하여 양극 재료로 사용된다. 야부우치 교수는 "지금까지 니켈 기반 전극 재료에는 10~20%의 코발트 이온이 필요했다"며 "하지만 이는 여전히 너무 많은 양이고, 금속 치환을 통해 공정을 개선할 수 있는 방법에 대한 통일된 이해는 아직 이뤄지지 않았다"고 지적했다. 야부우치 교수와 연구팀은 이러한 지식 공백을 해결하기 위해 문제가 되는 상전이 현상을 더 깊이 연구했다. 외부 전장의 영향으로 리튬 이온이 양극으로부터 빠져나갈 때, 니켈 이온들은 리튬 층 내의 특정 위치로 이동하는데, 이 과정은 원래 가역적이지만, 지속적인 충방전을 통해 가역성이 점차 저하되면서 결국 용량이 완전히 소실된다. 이는 코발트 이온 이동에서는 나타나지 않는 현상이다. 이전 연구에 따르면 LiNiO2에 텅스텐을 첨가하는 것은 고전압 영역에서 유해한 상전이를 억제하는 효과적인 방법이라고 보고됐다. 야부우치 연구팀은 값비싼 텅스텐 이온 대신 더 가볍고 풍부한 원소인 인(phosphorous) 이온을 대체할 수 있다는 가설을 테스트했다. 연구팀은 나노크기의 인산리튬(Li3PO4)과 결합된 LiNiO2를 상세히 분석한 결과, 특정 조건에서는 리튬 층 내부의 과도한 니켈 이온이 반발성 전기 상호작용을 일으켜 니켈 이온 이동이 효과적으로 억제됨을 확인했다. 이 연구 결과를 바탕으로 리튬 층 내부에 추가적인 니켈 이온이 포함된 Li0.975Ni1.025O2(리튬 결핍 LiNiO2)이 인 첨가 없이 간단한 방법으로 합성됐다. 연구 결과 Li0.975Ni1.025O2 는 니켈 이온 이동을 효과적으로 억제하고 코발트 이온을 사용하지 않아도 안정적인 가역성을 제공할 수 있음을 보여줬다. 야부우치 교수는 "이 연구 결과는 매우 간단하고 경제적인 방법으로 고성능의 실용적인 코발트 없는 니켈 기반 전극 재료를 개발하는 새로운 방향을 제시하고 있다"며 "이 재료는 고성능 니켈 기반 전극 재료의 궁극적인 목표를 달성했다"고 주장했다. 연구팀은 앞으로 코발트를 전혀 사용하지 않는 리튬 이온 배터리 재료의 실현 가능성을 연구할 계획이다.
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코발트 없는 전극 개발 성공, 전기차 배터리의 새로운 기준
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