산업 혁명 이후 경제 성장을 유지하는 데 필요한 대부분의 에너지는 화석 공급원 (천연 가스, 석탄 및 석유)에서 비롯됩니다. 이러한 출처를 업계에서 활용할 때, 첫 번째 프로세스와 가장 중요한 프로세스는 소위 "개혁"의 프로세스입니다. 스팀 형태의 물이 일산화탄소 및 수소 (Syngas)를 생성하는 고온에서 천연 가스 (주로 메탄)와 반응하는 공정은 많은 부분의 화학 물질이 생성됩니다. 이 모든 과정의 핵심에는 촉매가 있습니다. 종종 단일 또는 다상 형태의 산화물지지에 분산 된 금속의 형태로.
이 화학 공정에서 에너지의 주요 담체는 수소이므로 석유 화학 산업의 본질에있다. 그러나 증기 개혁에 의한 메탄에서의 기원은 지구상에서 가장 오염 된 과정을 만듭니다. 각각의 수소 kg에 대해 화학적으로 5.5 kg의 Co 2 공정의 고 에너지 비용을 고려하지 않음). Co 2 유해한 온실 가스이므로 지구 대기 온도의 꾸준한 상승에 기여합니다. 현재 Co 2 를 변환하기 위해 많은 노력이 이루어지고 있습니다. 다른 제품에. Co 2 과 관련된 모든 프로세스 전환은 에너지 집약적이며 열역학적 사다리를 등반합니다. 따라서 Co 2 다른 제품으로의 전환은 필요한 전자가 재생 가능한 공급원에서 제공되는 경우 필요한 전자가 제공되는 경우 환경에 긍정적으로 기여할 수 있습니다. 액체 형태의 지구상에서 가장 풍부한 화학 물질은 물이므로 수소의 가장 저렴한 공급원은 물의 두 수소 이온을 감소시키는 데 필요한 전자 가이 경우 태양과 같은 보편적으로 안정적인 공급원에서 비롯된 경우.
물은 전기 분해 및 광촉매와 같은 많은 방법을 통해 분자 수소와 산소로 분할 될 수 있습니다. 그러나 후자의 효율은 전자의 효율보다 훨씬 낮다. 나노 스케일의 광촉매는 태양 전지 (반도체 및 금속의 다중 스택)와 전해기 (수소 이온 감소를위한 귀족 금속으로 구성된 종종 산소 산화물 산화물)로 구성되기 때문입니다. 그러므로이 과정은 매우 복잡하며 아마도 현재 인간의 지식을 벗어나고있을 것입니다. 오늘날, 효율적인 광촉매는 안정적이지 않으며, 안정적인 광촉매는 일화 효율이다. 그 이유는 나노 스케일, 열역학, 관련 반도체의 밴드 모서리 정렬 및 반응 단계의 복잡한 동역학에 대한 광학적 상호 작용에 대해 다중 및 주로 릴레이입니다.
광촉매 분야와 그 잠재력
광촉매에서, 촉매는 광자를 사용하여 전자를 가장 높은 점유 전자 상태 (원자가 밴드)에서 가장 낮은 비어있는 것 (전도 대역)으로 자극한다. 이를 통해 밴드 에너지가 잠재력을 잘 조정하는 경우 산화 환원 반응이 발생할 수 있습니다. 지구 표면에 도달하는 태양 광 스펙트럼에 기초하여, 태양 전지의 이론적 최대 값은 대략 34%이며 Shockley -Queisser 한계라고합니다. [1]
광촉매의 개념을 매력적으로 만드는 것은 촉매가 충분히 효율적이면 반응 섹션의 낮은 작동 비용과 함께 화학 산업의 잠재적 공정 단순성입니다. 이것은 효율적이고 안정적인 광촉매를 개발하기 위해 화학 반응 및 재료 특성의 기본 측면을 조사하는 주요 동기입니다. 이것은 지구의 표면에 부딪히는 조명의 밀도가 낮기 때문에 매우 중요합니다. 필요한 매우 넓은 영역을 사용하여 프로세스가 전체 효율에 매우 민감하게 만듭니다. 따라서이 분야의 연구원들은 전자 공학, 기하학적, 광학적 특성과 관련하여 반응성 분자와의 표면 상호 작용과 관련하여 더 나은 광 촉매를 설계하기 위해 전기 및/또는 프로토 타입 광촉매의 특성을 연구하기 위해 계산 시뮬레이션과 같은 많은 도구를 활용합니다.
.안내 범위로서의 계산 도구
많은 재료는 에너지 밴드 갭과 이용 가능한 태양 광을 기반으로 효율적인 광촉매가 될 가능성이 있지만, 그럼에도 불구하고 테스트 할 때 대부분 비효율적 인 것으로 판명됩니다. 물 분할과 같은 기본 반응을 조사하는 것은 사소한 것처럼 보일 수 있지만 실제로는 매우 복잡합니다. 이것은 일반적으로 반응이 따를 수있는 여러 경로로 인해 반응물과 반응물과 광촉매 사이의 상호 작용이 있습니다. [2] 광촉매의 표면을 시뮬레이션함으로써, 물질 특성과 관심 분자와의 상호 작용을 추정 할 수있다.
.티타니아 (tio 2 )는 이론적으로 태양 스펙트럼의 최대 4-5%를 흡수 할 수 있지만 실제로 총 물 분할을 수행하는 데 비효율적 인 밴드 갭이있는 풍부한 산화물입니다. tio 2 이후 많은 광촉매 반응을위한 프로토 타입으로 간주되며,이 분야의 연구원들에 의한 기본 조사 중입니다. 주로 안정성으로 인해. 에탄올과 같은 유기 분자는 여기 TIO <서브> 2 에 의해 쉽게 산화 될 수 있습니다. 물과 대조적으로, 따라서 비교 조사를위한 프로토 타입 분자로 사용된다. 물 산화 과정 동안, H 2 o 2 반응 중간체가 가정되었으므로, 따라서, 따라서, o 2 로의 변환. 및 H 2 제한 단계가 될 수 있습니다.
2 h 2 O ( 액체 ) H 2 ( 가스 ) +h 2 o 2 ( 흡착 된 중간체 ) ΔG =+ 354 kJ/mol
h 2 o 2 ( 흡착 된 중간체 ) H 2 ( 가스 ) +o 2 ( 가스 ) ΔG =+ 120 kJ/mol
우리는 tio 2 의 슬래브를 만들었습니다 밀도 기능 이론 (DFT)을 사용하여 반응물 분자 및 그 성분과 함께 그 특성을 연구하기 위해 [3]. 그러한 모델에 의해 얻은 가장 귀중한 정보 중 하나는 분자 나 그 중간체가 슬래브 표면에 얼마나 강한지를 공개하는 흡착 에너지입니다. 흡착 에너지는 또한 시뮬레이션 된 원자의 최종 기하학적 좌표를 연구하여 결합 길이와 각도를 계산함으로써 보충 될 수있다. 이것은 전체 시스템에 가장 낮은 에너지를 제공하는 좌표를 찾아서 시뮬레이션 된 원자가 이완 될 수 있도록함으로써 수행 될 수 있습니다.
우리의 결과는 분자 및 해리 형태의 에탄올 및 과산화수소 모두가 비교적 높은 흡착 에너지 (0.8-1.1 eV)를 갖는 것을 보여 주었다. 이것은 모든 것이 표면에서 이론적으로 안정적이고 개념적으로 반응성이 있음을 나타냅니다. 그러나, 상태의 밀도 (DOS)에 의해 표현 된 전자 구조를 면밀히 살펴보면, 에탄올은 반응성이고 H 2 라고 결론 지었다. o 2 H 2 의 경우 전자 전달에 필요한 전자 궤도 중첩 누락 때문이 아닙니다. o 2 그리고 그 구성 요소. 조사중인 궤도는도 2에 제시된 바와 같이 흡착 물의 2 개의 최고 점령 분자 궤도 (HOMO)와 광촉매의 표면 산소의 궤도이다. 에탄올과 에스 톡 사이드 (도 2A-B)는 모두 h <서브> 2 와 대조적으로 뚜렷한 겹치는다. o 2 무시할만한 겹침이 존재하는 분자 및 해리 형태 (도 2C-E)에서.
결론적으로, 우리의 조사는 tio 2 에 물의 완전한 반응이 없다는 것을 나타냅니다. 분자 수소 및 산소에 "상대적으로"안정적인 H 2 의 형성과 관련이있을 수 있습니다. o 2 표면의 분자는 반응을 방해합니다.
이러한 발견은 최근 저널 과학에 발표 된 물 분할의 맥락에서 TIO2 Rutile (110) 표면에 대한 과산화수소 및 에탄올의 흡착 모드 및 전자 구조의 전자 구조에 대한 연구에 설명되어있다. 이 작업은 Sabic 기업 연구 및 개발의 H. Alghamdi와 H. Idriss가 수행했습니다.
참조 :
- Shockley, William 및 Hans J. Queisser. "P -N 접합 태양 전지의 효율의 상세한 균형 한계." 응용 물리학 저널 , vol. 32, 아니오. 3, 1961, pp. 510–519., doi :10.1063/1.1736034.
- Henderson, M. A., 단단한 표면과의 물의 상호 작용 :기본적 측면이 재검토되었습니다. 표면 과학 보고서 , vol. 46, 2002, pp. 1-308., doi.org/10.1016/S0167-5729 (01) 00020-6
- Alghamdi, H. 및 H. Idriss. "물 분할의 맥락에서 TIO2 Rutile (110) 표면에 대한 과산화수소 및 에탄올의 흡착 모드 및 전자 구조에 대한 연구." 표면 과학 , vol. 669, 2018, pp. 103–113., doi :10.1016/j.susc.2017.09.011.
