백금이 수소 발생을 촉진하는 이유는 무엇일까?

수소와 산소는 백금 촉매 작용(연소 반응 아님) 하에서 반응한다. 반응 후 백금은 화학적 변화 없이 그대로 유지된다. 이 반응은 집에서 할 수 없다. 반응 속도는 백금 블랙과 가스의 표면적에 따라 달라지기 때문이다. 일반적으로 연료 전지에서 백금 블랙과 백금의 양은 매우 적지만 면적이 크기 때문에 반응 속도가 매우 빠르다. 주로 암모니아에 사용된다. 불포화 화합물의 산화, 산화 및 수소화, 가스에서 일산화탄소, 질소 산화물 및 유기물 제거, 알케인 및 알켄의 수소화 이성질화 등과 같은 화학 공정.

백금 금속은 전이금속입니다.

대부분의 전이 금속은 촉매적 특성을 가지고 있는데, 이는 원자의 d 전자의 바깥층이 완전히 채워지지 않았다는 사실에 의해 결정됩니다. d 전자 층이 완전히 채워지지 않았기 때문에 전이 금속은 기체 상태에서 하나 이상의 기체를 흡착할 수 있습니다.

배터리 전극의 표면은 미세한 백금 분말 층으로 도금되어 있습니다. 백금은 가스를 흡수하는 능력이 강하고 안정적인 특성을 가지고 있습니다.

백금은 수소와 산소의 반응을 촉진합니다. 백금이 있으면 수소와 산소가 실온에서 반응할 수 있습니다. 메커니즘은 백금이 수소를 흡수하여 활성화 에너지를 줄일 수 있다는 것입니다.

백금 촉매(영어 명칭 platinumcatalyst)는 주요 활성 성분으로 금속 백금으로 만든 촉매의 총칭입니다. 알루미나와 같은 담체에 백금 금속 메시, 백금 블랙 또는 백금을 사용하고 금속 레늄과 같은 조촉매 성분을 포함할 수도 있습니다. 주로 암모니아 산화, 석유 탄화수소 개질, 불포화 화합물의 산화 및 수소화, 가스에서 일산화탄소 및 질소 산화물 제거와 같은 공정에 사용됩니다. 화학, 석유 및 화학 산업 반응 공정에서 자주 사용되는 촉매입니다.

전극의 촉매 효과는 주로 두 가지 요인에 따라 달라지기 때문입니다. 전극 표면 재료와 전극 표면 상태(거칠기 또는 매끄러움)입니다. 백금을 음극으로 사용하여 물을 전기 분해하면 음극의 수소 발생 과전압이 감소하여 음극 전기 화학 반응이 더 쉽게 진행됩니다.

기본 원리: 양극 반응은 두 가지 과정으로 나뉜다. 1. 물 또는 수소 이온이 먼저 환원되어 중간 생성물인 수소 원자를 생성한다. 이 단계는 반응의 난이도를 결정하는 열쇠이다. 2. 수소 원자는 수소 분자, 즉 수소 가스로 결합된다.

백금 전극은 중간 생성물의 수소 원자에 대한 흡착 효과가 좋으며, 수소 원자의 활성을 감소시켜 반응의 진행을 촉진합니다. 흑색 백금 전기 도금과 같은 특정 공정을 사용하여 전극 표면을 거칠게 하여 서리 또는 다공성 상태를 형성하면 전기 촉매 성능이 더욱 향상됩니다.

촉매는 일반적으로 전해수의 활성화 에너지를 크게 낮춰 전해수의 과전압을 줄일 수 있습니다. 촉매의 품질은 물을 전해하는 데 필요한 총 전압과 전기 에너지의 수소 에너지로의 변환 효율을 결정합니다.

예를 들어, 두 개의 흑연 전극으로 구성된 전해 셀은 일반적으로 수소와 산소를 생성하는 데 2V보다 큰 전압이 필요한데, 흑연은 이상적인 촉매가 아니기 때문입니다. 반면 두 개의 스테인리스 스틸 전극으로 구성된 전해 셀은 수소와 산소를 생성하는 데 약 1.6-1.8V의 전압이 필요합니다. 수소와 산소. 에너지 변환 효율을 높이기 위한 새로운 촉매 연구는 에너지 분야에서 큰 주목을 받고 있습니다.

산성 환경에서 백금은 수소 발생 반응의 촉매입니다. 과전압이 거의 없고 타펠 경사(전류를 10배 증가시키는 데 필요한 추가 전압)가 매우 작습니다. 거의 이상적인 촉매입니다. 그러나 백금 귀금속 자원이 부족하기 때문에 과학자들은 저렴한 촉매(전이 금속 황화물, 탄화물 및 인화물)를 찾고 있습니다.

이리듐 산화물은 산소 발생 반응의 촉매이지만, 희소한 자원에 의존하기도 합니다. 동시에, 높은 전위와 산성 환경으로 인해, 산소 발생 반응에 대한 촉매 활성과 안정성을 동시에 나타낼 수 있는 물질은 매우 적기 때문에, 지금까지 이리듐 산화물을 대체할 물질은 발견되지 않았습니다.

알칼리성 환경에서는 백금과 이리듐 산화물이 여전히 좋은 촉매이지만, 알칼리성 환경에서 산화물과 수산화물이 안정하기 때문에 원자 번호가 낮은 전이 금속 화합물에 대한 옵션이 더 많습니다.

예를 들어, 니켈 기반 합금은 수소 발생 반응에 대해 우수한 촉매 활성과 안정성을 나타내고, 니켈-철 기반 복합 소재와 일부 페로브스카이트 소재는 산소 발생 반응에 대해 우수한 촉매 활성을 나타냅니다.

촉매 원리는 수소가 연료 전지의 양극에서 촉매(백금)를 통해 전자와 수소 이온(양성자)으로 분해된다는 것입니다. 양성자는 양성자 교환막(양성자 교환막)을 통과하여 음극으로 이동하고 산소와 반응하여 물과 열이 됩니다.

해당 전자는 외부 회로를 통해 양극에서 음극으로 흐릅니다. 수소 연료 전지의 상업적 사용을 위해 가장 큰 과제 중 하나는 비용 관리입니다. 현재 연료 전지 차량의 비용은 일반 자동차의 약 5배입니다. 그 핵심 구성 요소는 양성자 교환막이라고 합니다. 수소의 전자를 양성자로 분리한 다음 양극에서 음극으로 교환하여 산소와 반응하여 물과 열을 생성합니다. 이에 따라 양성자 교환막의 핵심은 촉매 백금입니다. 백금은 귀금속으로, 일반적으로 결혼 반지의 재료인 백금입니다. 대규모 상용화를 촉진하기 위해서는 한편으로는 촉매의 양을 줄여야 하고, 다른 한편으로는 저렴한 대체 재료를 찾아야 합니다.

백금 기반 수소 연료 전지에서는 수소와 산소가 결합되어 전기를 생성하며, 물과 열이 유일한 부산물입니다. 수소와 산소 분자는 백금 촉매로 코팅된 양성자 교환막(PEM)을 통해 반응하고 결합합니다.

백금은 연료 전지 촉매로 특히 적합합니다. 왜냐하면 백금은 수소와 산소가 최적의 속도로 반응할 수 있게 하는 동시에 연료 전지 내부의 복잡한 화학적 환경과 높은 전류 밀도를 견딜 수 있을 만큼 안정적이어서 장기적으로 효과적으로 작동할 수 있기 때문입니다.

연료 전지는 배터리와 동일한 특성을 많이 공유합니다. 조용한 작동, 움직이는 부품 없음, 전기를 생성하는 전기화학 반응입니다. 그러나 배터리와 달리 연료 전지는 충전이 필요하지 않으며 연료가 공급되면 무기한 작동할 수 있습니다. 연료 전지는 배터리를 시스템 구성 요소로 사용하여 생성된 전기 에너지를 저장할 수 있습니다.

더 보기