가우스 프로세스 회귀 접근법을 사용하여 다양한 금속 수소화물의 수소 흡수 에너지 추정

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21902(2022) 이 기사 인용

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수소는 상당히 높은 에너지 밀도로 인해 유망한 대체 에너지원입니다. 또한, 수소는 연료전지와 같은 에너지 시스템에서 전기로 변환될 수 있습니다. 수소 소비 응용 분야로 전환하려면 고밀도 수소 팩과 함께 제공되는 수소 저장 방법이 필요합니다. 다양한 방법 중 호스트 금속에 수소를 흡수하는 방법은 상온 및 상압에서 적용 가능하므로 안전성에 문제가 없습니다. 이와 관련하여 잠재적으로 수소 밀도가 높은 AB2 금속 수소화물이 적절한 호스트로 선택됩니다. 이러한 호스트의 화학적 구성이 수소 저장에 미치는 영향에 대한 관계를 확립하기 위해 기계 학습 기술이 적용되었습니다. 이를 위해 314개의 데이터 포인트 쌍으로 구성된 데이터 뱅크가 사용되었습니다. 본 평가에서는 서로 다른 A-site와 B-site 원소를 입력변수로 사용하였고, 수소흡수에너지를 출력변수로 사용하였다. 입력을 기반으로 수소 흡수 에너지를 예측하기 위해 4개의 커널 함수를 사용하는 강력한 가우스 프로세스 회귀(GPR) 접근 방식이 제안되었습니다. 모든 GPR 모델의 성능은 매우 뛰어났습니다. 특히 Exponential kernel function을 적용한 GPR은 R2, MRE, MSE, RMSE, STD가 각각 0.969, 2.291%, 3.909, 2.501, 1.878로 가장 높은 정확도를 보였다. 또한, 분석의 민감도는 ZR, Ti 및 Cr이 이 시스템에서 가장 파괴적인 요소임을 나타냅니다.

에너지 수요는 최근 몇 년 동안 기하급수적으로 증가하여 18TW를 넘어섰습니다. 향후 몇 년 동안 이러한 시장 성장은 계속될 것으로 예상됩니다1. 오늘날 화석 연료는 전 세계 에너지 소비의 80% 이상을 차지합니다2,3,4,5. 그러나 환경 문제로 인해 재생 에너지원으로의 전환이 중요합니다6. 이런 점에서 수소는 연료이자 청정 에너지 운반체로서 재생 에너지 시스템에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 이는 탄소 없는 연료를 확립하기 위한 기초가 될 수 있습니다7,8. 수소 에너지는 최근 몇 년간 가장 인기 있는 에너지원 중 하나입니다. 이는 화석 연료보다 에너지 함량이 높고 환경 문제를 덜 유발하기 때문입니다9. 수소는 화석 연료보다 에너지 밀도가 142 Mj kg−1로 훨씬 높으며 밀도는 47 Mj kg−110입니다. 2040년까지 유럽 차량의 약 35%가 수소로 구동될 것으로 추산됩니다. 또한, 수소 에너지는 2050년까지 세계 에너지 수요의 약 34%를 제공할 것입니다11. 수소는 자연계에 널리 퍼져 있는 원소이지만 거의 발견되지 않습니다. 순수한 형태로. 결과적으로, 이를 생산하기 위한 여러 화학물질, 전기화학, 광전기화학, 열 및 미생물학적 접근법이 개발되었습니다. 전 세계적으로 매년 5천만 톤 이상의 수소가 생산됩니다15.

수소는 기체, 액체, 고체상 저장 등 세 가지 주요 방식으로 저장될 수 있습니다. 고체상 저장은 실온 및 대기압에서 작동할 수 있을 뿐만 아니라 뛰어난 안전성과 낮은 에너지 손실로 인해 가장 유망한 저장 기술 중 하나입니다16,17,18,19,20,21. 금속 수소화물은 고체 상태에서 수소 저장 물질로 알려져 있으며 금속/금속간 호스트에서 수소 분자를 흡수하여 생성됩니다. 이들 화합물에 흡수된 수소의 중량 밀도는 약 1~3wt%5,29입니다. AB, AB2, AB3, AB5 및 A2B를 포함하여 지금까지 다양한 금속 수소화물이 확인되고 검사되었으며, 여기서 A와 B는 두 가지 유형의 금속 또는 금속 그룹입니다. AB2 금속 수소화물은 쉬운 활성화, 빠른 동역학 및 유리한 압력 조건으로 인해 수소 저장에 가장 유망한 유형입니다. AB2 합금에서 원소 A에는 Ti, Zr, Ta 및 Hf와 같은 원소의 수소화물 성분이 포함되어 있고, 원소 B에는 Fe, Co, Ni, Mn, Cr 및 V31,32와 같은 전이 금속이 포함되어 있습니다. 육각형 및 면 중심 입방체 구조를 갖는 C14 및 C15는 각각 AB2 금속 수소화물의 용암 상입니다.