by: 작성자: 리드 데이비스

란타늄 펜타니켈(_LaNi5)은 적절한 압력과 온도 조건에서 수소 가스를 빠르게 흡착하여 금속 수소화물 화합물을 형성하는 금속 합금입니다. 수소화물 형성 금속 화합물은 특정 압력에서 다량의 수소 가스를 흡착하여 저장했다가 나중에 다른 낮은 압력에서 수소를 방출하는 능력으로 잘 알려져 있습니다. 이러한 흡착 거동은 수소가 _LaNi5와 반응할 때 뚜렷한 '고원'을 형성하는데, 이 반응은 압력 조성 등온선(그림 1)에서 볼 수 있듯이 온도에 따라 크게 달라집니다. 다양한 온도에서 수집한 등온선을 사용하여 흡착 열 보고서를 생성할 수 있으며, 이 보고서를 통해 _LaNi5-수소 시스템의 반응 메커니즘에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

자료

이 분석에는 99.9% 순도의 미세 분말 _LaNi5가 사용되었습니다. 수소 샘플은 초고순도(UHP) 등급의 수소를 사용했으며, 분석 후 자유 공간을 측정하기 위해 마찬가지로 UHP 헬륨을 사용했습니다. 분석에 사용된 _LaNi5는 Alfa Aesar®에서 구입했습니다.

준비

_LaNi5 샘플은 고압의 순수 수소 환경에서 장시간 담가서 준비할 수 있습니다. 이 분석에 사용된 시료는 먼저 250psi(~13,000Torr)의 수소에 24시간 동안 대량으로 담근 다음, 분석을 실행하기 전에 추가로 48시간 동안 ASAP 2050의 시료 포트에 5g의 작은 시료를 다시 150psi(~7500Torr)로 담가 두었습니다. 두 번째 담금질은 물질을 일상적으로 취급하는 동안 _LaNi5가 공기에 노출되었을 가능성이 있기 때문에 필요했습니다. 추가 수소 담금질은 _LaNi5를 정제하고 환원하는 데 사용됩니다.

분석

_LaNi5를 순수 수소에 담근 후 몇 가지 분석을 수행했습니다. 분석은 0.1 토르에서 7500 토르에 이르는 전체 압력 범위의 등온선을 ASAP 2050에서 수집하는 것으로 구성됩니다. 또한 ^{0°C에서 60°C까지}광범위한 온도에서 분석이 실행되었으며, 20°C와 ^40°C의중간 온도에서 분석이 실행되었습니다.

데이터

동일한 시료에 대해 서로 다른 온도에서 여러 분석을 실행하면 시료에 대한 등방성 흡착 열 보고서를 생성할 수 있습니다. 등방성 흡착 열은 흡착제인 기체가 흡착제인 시료에 흡착하는 데 필요한 에너지의 양을 말합니다. 등방성 흡착 열은 여러 온도에서 시료의 등온선을 사용하여 계산됩니다. 압력은 동일한 간격의 부피 증분으로 보간됩니다. 보간된 압력과 부피를 사용하여 각 부피에 대한 각 압력 지점의 자연 로그가 1/RT에 대해 플롯됩니다. 흡착 열은 반트 호프 방정식의 유도식을 사용하여 플롯의 각 등방성에 대해 직접 계산할 수 있습니다:

where:
<delta>H is enthalpy (heat) of of adsorption in kJ/mol, <delta>S is
entropy of sorption in kJ/mol*K, P is the pressure in Torr, and R is the gas constant, 0.0083144 kJ/mol*K.

각 등비선의 기울기를 구하면 해당 등비선에 해당하는 특정 부피에 대한 흡착 엔탈피를 구할 수 있으며, 부피와 엔탈피 데이터를 통해 그림 2에서 볼 수 있는 흡착 열 플롯을 만들 수 있습니다. _LaNi5 샘플의 전체 흡착열은 고원의 평균값인 30.295kJ/mol과 비교할 수 있으며, 이는 _LaNi5에서 수소를 흡수하는 데 필요한 열량입니다.

일반적인 탄소 시료의 경우 물리흡착 중 수소에 대한 흡착열은 4~10kJ/mol[1] 사이이지만, _LaNi5 시료의 경우 흡착열이 30.295kJ/mol로 계산되어 _LaNi5의엔탈피가 약 29~32kJ/몰[2]인 공개된 데이터와 일치합니다. 수소의 물리 흡착에 대한 일반적인 엔탈피보다 흡착 열이 증가한 것은 _LaNi5가 수소를 분리하고 흡수한 결과입니다. 분자 수소를 흡착하기 위해 물리 흡착을 사용하는 탄소와 같은 ASAP 2050에서 실행되는 대부분의 재료와 달리, _LaNi5는 화학 흡착을 사용하여 실제로 원자 수소를 금속 구조로 흡수합니다. 화학흡착이 진행되는 동안 수소 분자는 해리되어 두 개의 수소 원자로 _LaNi5에 흡수됩니다: 수소 분자의 결합이 분리되기 때문에 흡착 열은 750 Torr 및 300 K[3]에서 해리 효과만으로 약 19.6 kJ/mol까지 크게 증가합니다. 수소의 화학 흡착이 흡착열에 가장 큰 영향을 미치지만, 수소의 흡수도 흡착열 증가에 중요한 역할을 합니다. 해리 과정에서 나온 수소 원자는 금속 격자의 간극 부위로 흡수되어 격자를 팽창시켜 나머지 흡착열 증가의 대부분을 차지합니다[4]. 흡착열 보고서를 사용하면 _LaNi5의 수소 흡착 및 저장에 단순한 물리 흡착 이상의 현상이 발생한다는 것을 알 수 있으며, 결과를 해석하면 수소와 _LaNi5 간의 상호작용을 파악하는 데 도움이 될 수 있습니다.

참조

1. Gigras, A., Bhatia, S., Kumar, A., Myers, A.. 탄소 내 수소 저장의 효율성을 향상시키기 위해 높은 등방성 열에 대한 조정의 가능성. Carbon 45, 1043-1050
2. Schlapbach, L., Züttel, A. 모바일 애플리케이션용 수소 저장 재료. Nature 414, 353-358
3. 샌드록, G., 토마스, G. IEA/DOE/SNL 온라인 수소화물 데이터베이스. Appl. Phys. A 72, 153-155
4. 야마모토, T., 이누이, H., 야마구치, M. _LaNi5의 수소 흡착-탈착 압력에 대한 격자 결함의 영향. 재료 과학 및 공학 329-331, 367-371