감독자

2022년 9월 5일

린다 베링거(Linda Behringer), 막스 플랑크 협회

수소(H2)는 현재 재생 에너지의 이상적인 에너지 운반체로 논의되고 있습니다. 수소는 모든 화학 연료 중 가장 높은 중량 에너지 밀도(141 MJ/kg)를 갖고 있으며 이는 휘발유(46 MJ/kg)보다 3배 더 높습니다. 그러나 현재의 저장 옵션에는 많은 공간이 필요하기 때문에 체적 밀도가 낮기 때문에 운송 응용 분야에서의 광범위한 사용이 제한됩니다.

주변 온도에서 수소는 가스이며 1kg의 수소는 12000리터(12m3)의 부피를 차지합니다. 연료전지 차량에서 수소는 대기압의 700배에 달하는 매우 높은 압력에서 저장되며, 이로 인해 부피가 H2 1kg당 25리터로 줄어듭니다. 액체수소는 밀도가 높아 1kg당 14리터를 나타내지만, 수소의 끓는점은 영하 253℃로 매우 낮은 온도가 필요하다.

막스 플랑크 지능 시스템 연구소, 드레스덴 공과 대학, 에를랑겐-뉘른베르크 프리드리히-알렉산더 대학, 오크 리지 국립 연구소의 과학자 팀은 수소가 H2 근처의 매우 낮은 온도에서 표면에 응축된다는 사실을 입증했습니다. 끓는점, 액체 수소의 밀도를 거의 3배 초과하는 초밀도 단층을 형성하여 부피를 H2 킬로그램당 5리터로 줄입니다.

놀라운 결과는 비활성 기체 아르곤 원자보다 두 배나 많은 H2 분자가 표면을 덮고 있다는 것입니다. 두 분자의 크기는 거의 동일합니다. 면적당 분자 수를 두 배로 늘리기 위해 H2 분자는 서로 밀접하게 압착되어 초밀도 층을 형성합니다.

R. Balderas-Xicohténcatl 등의 연구. 재료 표면에 응축된 분자 수를 결정하기 위해 잘 정의된 기공 및 표면 특성을 나타내는 고도로 정렬된 메조다공성 실리카에 대한 고해상도 저온 흡착 실험이 포함되었습니다.

비탄성 중성자 산란은 이 2차원 수소층의 형성을 추적하는 이상적인 도구입니다. 이 초고밀도 수소의 존재가 현장에서 처음으로 확인됐다. 이러한 직접적인 관찰은 유사한 분광기보다 100배 이상 더 높은 비탄성 계수 속도를 특징으로 하는 고해상도 중성자 진동 분광기 VISION을 사용해야만 가능했습니다.

이론적 연구는 흡착층에서 비정상적으로 높은 수소 밀도에 대한 실험적 관찰을 확인합니다. 표면의 인력은 두 개의 수소 분자 사이의 반발력보다 더 강하여 메조다공성 실리카 표면에 초밀도 수소 패킹이 형성되었습니다. 초고밀도는 핵심 전자가 없는 수소의 높은 압축성에 따른 결과입니다.

끓는점 근처의 저온에서 초밀도 수소층이 형성되는 것은 근본적인 관심거리입니다. 이는 20K에서 H2 흡착 등온선의 정량적 분석을 위해 고려해야 합니다. 또한 다가오는 수소 경제에서 많은 응용 분야에 대해 극저온 수소 저장 시스템의 체적 용량을 향상시킬 수 있는 새로운 가능성을 열어줄 수도 있습니다.

이 연구는 Nature Chemistry에 게재되었습니다.

추가 정보: Rafael Balderas-Xicohténcatl 외, 메조다공성 실리카에 초밀도 수소 단층 형성, Nature Chemistry(2022). DOI: 10.1038/s41557-022-01019-7

저널 정보:자연화학

막스플랑크학회 제공