과학자들이 햇빛을 연료로 바꾸는 강력하고 새로운 방법을 발견했습니다.

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)의 고급 시스템 이해 센터(CASUS) 팀이 이끄는 연구원들은 이제 이 문제를 해결하기 위해 신뢰할 수 있고 재현 가능한 이론적 접근 방식을 도입했습니다. 그들의 예측은 실제 재료 샘플에 대한 측정을 통해 검증되었습니다. 팀은 이러한 발전이 폴리헵타진 이미드에 대한 연구를 크게 가속화하고 해당 분야의 급속한 성장을 촉발할 수 있다고 믿습니다.

질화탄소 재료와 가시광선 흡수

폴리헵타진 이미드는 더 넓은 종류의 질화탄소에 속합니다. 이 물질은 그래핀과 유사한 층 구조로 구성되어 있지만 질소가 풍부한 고리 모양의 분자 단위로 만들어졌습니다.

그래핀은 뛰어난 전기 전도성으로 알려져 있지만 광촉매로서의 기능은 좋지 않습니다. 폴리헵타진 이미드는 결정적인 면에서 다릅니다. 전자 밴드 갭으로 인해 가시광선을 흡수할 수 있어 햇빛에 의한 화학 반응에 적합합니다.

질화탄소 재료는 또한 몇 가지 실용적인 이점을 제공합니다. 상대적으로 생산 비용이 저렴하고 독성이 없으며 열에 안정적입니다. 그러나 이들 물질의 초기 버전은 내부 특성이 효과적인 전하 분리를 제한했기 때문에 광촉매로서 성능이 좋지 않았습니다.

광자가 물질에 부딪치면 전자가 여기되어 원래 위치에서 멀어지게 되어 양전하를 띤 정공이 남게 됩니다. 전자가 정공과 빠르게 재결합하면 화학 반응을 일으키지 않고 에너지가 열이나 빛으로만 방출됩니다.

“양전하를 띤 금속 이온을 함유한 폴리헵타진 이미드는 현저하게 향상된 전하 분리를 나타냅니다. 이러한 특징으로 인해 실제 응용 분야에 매우 적합해졌습니다.”라고 첫 번째 저자인 Zahra Hajiahmadi 박사는 말했습니다.

컴퓨터 모델링을 통해 더 나은 촉매제 검색 속도 향상

여러 광촉매 공정의 경제적 잠재력을 활용하려면 향상된 재료가 필요합니다. 여기에는 물 분해(연료로 수소를 생성하기 위해), 이산화탄소 감소(연료 또는 산업용 화학 물질로 기본 탄수화물을 생성하기 위해) 및 과산화수소 생산(기본 산업용 화학 물질로)이 포함됩니다.

특정 반응에 잘 작동하는 폴리헵타진 이미드 촉매를 설계하려면 구조의 여러 측면을 신중하게 제어해야 합니다. 실험실에서 가능한 모든 재료 후보를 만들고 테스트하는 것은 비현실적입니다. 따라서 계산 방법은 가능성을 좁히는 데 필수적인 역할을 합니다.

CASUS 이사이자 CASUS 연구팀 “복잡계 이론”의 책임자이자 해당 연구의 수석 저자인 Thomas D. Kühne 교수는 “설계 공간은 엄청납니다.”라고 설명합니다. “예를 들어 표면에 작용기를 추가하거나 특정 질소 또는 탄소 원자를 산소 또는 인 원자로 대체할 수 있습니다.”

Kühne의 연구 그룹은 복잡한 재료의 화학적, 물리적 거동을 효율적이고 정확하게 재현할 수 있도록 설계된 고급 수치 기술을 개발하고 있습니다.

53개의 금속 이온을 체계적으로 테스트

폴리헵타진 이미드의 특징은 물질 내에 음으로 하전된 기공이 존재한다는 것입니다. 이러한 기공은 양전하를 띤 금속 이온을 수용할 수 있어 촉매 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.

Hajiahmadi의 연구는 다양한 금속 이온이 이러한 물질의 광전자 특성에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 최초의 포괄적인 조사를 나타냅니다. 이 연구에서는 총 53개의 금속 이온을 조사하여 구조 내 위치(평면 또는 층 사이)에 따라 분류하고 재료의 기하학적 구조를 어떻게 변경하는지(왜곡이 발생하는지 여부)에 따라 분류했습니다.

Hajiahmadi는 “우리는 기존의 모델링 접근 방식을 뛰어넘는 안정적이고 재현 가능한 계산 프레임워크를 사용했습니다.”라고 말했습니다. “광촉매에 대한 표준 전산 연구는 일반적으로 광촉매가 본질적으로 광여기 전하 캐리어에 의해 구동된다는 사실에도 불구하고 바닥 상태 특성에 초점을 맞추고 여기 상태 효과를 무시합니다. 특히 우리는 다체 섭동 이론 방법을 사용합니다.”

이러한 방법은 입자 상호 작용을 포함하지 않는 단순화된 모델 시스템으로 시작됩니다. 그런 다음 상호 작용이 작은 수정으로 추가되어 연구자들이 얼마나 많은 수의 입자가 서로 영향을 미치는지 대략적으로 파악할 수 있습니다. 이러한 계산에는 상당한 컴퓨팅 성능이 필요하고 이 분야에 거의 적용되지 않지만 새로운 연구는 그 가치를 보여줍니다. 프레임워크는 이러한 물질이 빛을 흡수하는 방식과 조명 하에서 전자 구조가 어떻게 작동하는지에 대한 정확한 설명을 제공합니다.

실험으로 이론적 예측 확인

연구진은 컴퓨터 접근 방식을 사용하여 다양한 금속 이온이 폴리헵타진 이미드 네트워크의 구조를 어떻게 변경하는지 조사했습니다. 그들의 분석에 따르면 이온 도입은 층 간 간격의 변화와 국지적 결합 환경의 수정을 포함하여 측정 가능한 구조적 변화를 일으킬 수 있음이 밝혀졌습니다. 이러한 구조적 변화는 재료의 전자 밴드 구조와 광학 특성에 직접적인 영향을 미치며 빛을 얼마나 효율적으로 포착하는지에 영향을 미칩니다.

그들의 예측을 테스트하기 위해 팀은 각각 다른 금속 이온을 포함하는 8개의 폴리헵타진 이미드 물질을 합성했습니다. 그런 다음 재료의 과산화수소 생산을 촉매하는 능력을 평가했습니다.

Hajiahmadi는 “결과는 우리의 예측에 대한 높은 수준의 동의와 경쟁 계산 방법보다 뛰어난 성능을 분명히 보여주었습니다”라고 결론지었습니다.

Kühne은 다음과 같이 덧붙입니다. “폴리헵타진 이미드가 차세대 광촉매 기술을 위한 가장 유망한 플랫폼 중 하나라는 점에 대해 약간의 의구심이 있었다면, 저는 이 연구가 그 문제를 해결했다고 믿습니다. 지속 가능한 반응을 위한 효율적인 폴리헵타진 이미드 광촉매의 목표 설계를 향한 길은 이제 더 명확해졌습니다. 저는 이것이 자주 성공적으로 수행될 것이라고 굳게 믿습니다.”