hotchpotch/wikipedia-multilingual-ir-pairs huggingface dataset:
불균일 촉매
불균일 촉매(영어: Heterogeneous catalysis)는 상이 시약이나 생성물과 다른 촉매 반응이다. 이 과정은 시약, 생성물, 촉매가 같은 상에 존재하는 균일 촉매와 대조된다. 상은 고체, 액체, 기체 구성 요소를 구분할 뿐만 아니라 섞이지 않는 혼합물(예: 기름과 물) 또는 계면이 존재하는 모든 곳을 구분한다.
불균일 촉매는 일반적으로 고체상 촉매와 기체상 반응물을 포함한다. 이 경우, 촉매 표면에서 분자 흡착, 반응, 탈착의 순환이 일어난다. 열역학, 물질 전달 및 열 전달은 반응 속도에 영향을 미친다.
불균일 촉매는 더 빠르고 대규모의 생산과 선택적 생성물 형성을 가능하게 하기 때문에 매우 중요하다. 전 세계 GDP의 약 35%가 촉매 반응의 영향을 받는다. 화학 물질(부피 기준)의 90% 생산은 고체 촉매의 도움을 받는다. 화학 및 에너지 산업은 불균일 촉매에 크게 의존한다. 예를 들어, 하버-보슈법은 비료의 중요한 구성 요소인 암모니아 합성에서 금속 기반 촉매를 사용한다. 2016년에 1억 4,400만 톤의 암모니아가 생산되었다.
불균일 촉매 흡착
흡착은 불균일 촉매의 필수 단계이다. 흡착은 기체(또는 용액) 상 분자(흡착질)가 고체(또는 액체) 표면 원자(흡착제)에 결합하는 과정이다. 흡착의 역은 탈착으로, 흡착질이 흡착제로부터 분리되는 것이다. 불균일 촉매에 의해 촉진되는 반응에서 촉매는 흡착제이고 반응물은 흡착질이다.
흡착에는 두 가지 유형이 있다. 약하게 결합된 흡착인 물리흡착과 강하게 결합된 흡착인 화학흡착이다. 불균일 촉매의 많은 과정은 이 두 가지 극단 사이의 어디쯤에 있다. 레너드-존스 퍼텐셜 모델은 원자 간 거리에 따른 분자 상호작용을 예측하기 위한 기본 틀을 제공한다.
불균일 촉매 흡착
물리흡착에서 분자는 반데르발스 힘을 통해 표면 원자에 끌린다. 여기에는 쌍극자-쌍극자 상호작용, 유도 쌍극자 상호작용 및 런던 분산력이 포함된다. 흡착질과 흡착제 사이에 화학 결합이 형성되지 않고, 그들의 전자 상태는 비교적 교란되지 않는다. 물리흡착의 일반적인 에너지는 3~10 kcal/mol이다. 불균일 촉매에서 반응물 분자가 촉매에 물리흡착될 때, 이는 일반적으로 전구체 상태, 즉 화학흡착(더 강하게 결합된 흡착) 전의 중간 에너지 상태에 있다고 말한다. 전구체 상태에서 분자는 화학흡착, 탈착 또는 표면을 가로지르는 이동을 겪을 수 있다. 전구체 상태의 특성은 반응 속도론에 영향을 미칠 수 있다.
분자가 표면 원자에 충분히 가까이 접근하여 원자 궤도가 겹치면 화학흡착이 일어날 수 있다. 화학흡착에서 흡착질과 흡착제는 전자를 공유하며 이는 화학 결합의 형성을 의미한다. 화학흡착의 일반적인 에너지는 20~100 kcal/mol 범위이다. 화학흡착의 두 가지 경우는 다음과 같다.
불균일 촉매 표면 반응
대부분의 금속 표면 반응은 촉매 중간체가 주기적으로 생성되고 소비되는 연쇄 전파에 의해 일어난다. A + B → C에 대한 두 가지 주요 표면 반응 메커니즘을 설명할 수 있다.
대부분의 불균일 촉매 반응은 랭뮤어-힌셸우드 모델로 설명된다.
불균일 촉매에서는 반응물이 벌크 유체상에서 확산하여 촉매 표면에 흡착된다. 흡착 부위가 항상 활성 부위는 아니므로 반응물 분자는 표면을 가로질러 활성 부위로 이동해야 한다. 활성 부위에서 반응물 분자는 촉매 중간체를 통해 에너지적으로 더 쉬운 경로를 따라 반응하여 생성물 분자를 형성한다(오른쪽 그림 참조). 그런 다음 생성물 분자는 표면에서 탈착하여 멀리 확산된다. 촉매 자체는 그대로 유지되며 추가 반응을 중개할 수 있다. 열 및 물질 전달과 같은 수송 현상도 관찰된 반응 속도에 영향을 미친다.
불균일 촉매 촉매 설계
촉매는 전체 표면에서 반응물에 대해 활성을 나타내지 않는다. 특정 위치만이 촉매 활성을 가지며, 이를 활성 부위라고 한다. 고체 촉매의 표면적은 사용 가능한 활성 부위의 수에 강한 영향을 미친다. 산업적으로는 고체 촉매가 종종 다공성으로 만들어져 표면적을 최대화하며, 일반적으로 50–400 m2/g에 달한다. MCM-41과 같은 일부 메조포러스 실리카는 1000 m2/g 이상의 표면적을 가진다. 다공성 물질은 높은 표면적 대 질량비와 향상된 촉매 활성으로 인해 비용 효율적이다.
불균일 촉매 촉매 설계
많은 경우, 고체 촉매는 표면적을 늘리고(활성 부위 수를 분산시키고) 안정성을 제공하기 위해 지지 재료에 분산된다. 일반적으로 촉매 지지체는 불활성이고 녹는점이 높은 물질이지만, 그 자체로 촉매 역할을 할 수도 있다. 대부분의 촉매 지지체는 다공성(주로 탄소, 실리카, 제올라이트 또는 알루미나 기반)이며 높은 표면적 대 질량비 때문에 선택된다. 주어진 반응에 대해 다공성 지지체는 반응물과 생성물이 물질에 들어가고 나갈 수 있도록 선택되어야 한다.
불균일 촉매 촉매 설계
종종 촉매 활성, 선택성 및 안정성에 영향을 미치기 위해 반응 공급물 또는 촉매에 의도적으로 물질이 첨가된다. 이러한 화합물을 촉진제라고 한다. 예를 들어, 암모니아 합성 중에 산화 알루미늄(Al2O3)이 첨가되어 Fe-촉매의 소결 과정을 늦춤으로써 더 큰 안정성을 제공한다.
불균일 촉매 촉매 설계
사바티에 원리는 현대 촉매 이론의 초석 중 하나로 간주될 수 있다. 사바티에 원리는 표면-흡착질 상호작용이 최적의 양이어야 한다고 말한다. 즉, 반응물에 대해 불활성일 정도로 약해서도 안 되고, 표면을 독화하고 생성물의 탈착을 방해할 정도로 강해서도 안 된다. 표면-흡착질 상호작용이 최적이어야 한다는 진술은 정성적인 것이다. 일반적으로 화학 반응과 관련된 흡착질과 전이 상태의 수는 많으므로 최적값은 다차원 공간에서 찾아야 한다. 그러한 다차원 공간에서 촉매를 설계하는 것은 계산적으로 실행 가능한 작업이 아니다. 또한, 그러한 최적화 과정은 직관과는 거리가 멀 것이다. 촉매 설계 공간의 차원을 줄이기 위해 스케일링 관계가 사용된다. 이러한 관계는 흡착질 결합 에너지(또는 흡착질 결합 에너지와 BEP 관계로도 알려진 전이 상태 사이) 사이의 상관관계이다. 즉, OH와 OOH 스케일링처럼 "충분히 유사한" 관계이다. 촉매 설계 문제에 스케일링 관계를 적용하면 공간 차원이 크게 줄어든다(때로는 1 또는 2만큼 작게). 또한 이러한 스케일링 관계를 기반으로 한 마이크로 운동학적 모델링을 사용하여 특정 압력 또는 온도 조건에서 분자의 흡착, 반응 및 탈착과 관련된 운동학을 고려할 수 있다. 이러한 모델링은 사바티에 원리에 의해 정성적으로 설명된 최적값이 "화산의 꼭대기"라고 불리는 잘 알려진 화산 플롯으로 이어진다. 스케일링 관계는 유리기 표면-흡착된 그룹(예: O*, OH*)의 에너지뿐만 아니라 닫힌 껍질 분자 간의 에너지 또는 해당 유리기 흡착질과의 에너지를 연결하는 데 사용될 수 있다. 촉매 과학 연구자들의 최근 과제는 스케일링 관계를 "깨는" 것이다. 스케일링 관계에 나타나는 상관관계는 촉매 설계 공간을 제한하여 "화산의 꼭대기"에 도달하는 것을 방해한다. 스케일링 관계를 깨는 것은 스케일링 관계를 따르지 않는 표면이나 모티프를 설계하거나, 올바른 방향으로 다른 스케일링 관계(관련 흡착질에 대한 일반적인 관계보다)를 따르는 것을 의미할 수 있다. 즉, 반응성 화산의 꼭대기에 더 가까이 다가갈 수 있는 것을 말한다. 촉매 반응성을 연구하는 것 외에도 스케일링 관계를 사용하여 특정 생성물에 대한 선택성을 연구하고 재료를 스크리닝할 수 있다. 특정 생성물을 다른 생성물보다 선호하는 특별한 결합 에너지 조합이 있다. 때로는 특정 생성물에 대한 선택성을 변경할 수 있는 결합 에너지 세트가 서로 "스케일"되므로 선택성을 향상시키려면 일부 스케일링 관계를 깨야 한다. 이에 대한 예는 메탄과 메탄올 산화 활성화 에너지 사이의 스케일링으로, 메탄을 메탄올로 직접 전환하는 데 선택성이 부족한 이유가 된다.
불균일 촉매 촉매 비활성화
촉매 비활성화는 시간이 지남에 따라 촉매 활성 및 선택성이 상실되는 것으로 정의된다.
반응 속도를 감소시키는 물질을 독이라고 한다. 독은 촉매 표면에 화학흡착되어 반응물 분자가 결합할 수 있는 활성 부위의 수를 감소시킨다. 일반적인 독으로는 5족, 6족, 7족 원소(예: S, O, P, Cl), 일부 독성 금속(예: As, Pb), 여러 개의 결합을 가진 흡착종(예: CO, 불포화 탄화수소)이 있다. 예를 들어, 황은 Cu/ZnO 촉매를 독화하여 메탄올 생산을 방해한다. 반응 속도를 증가시키는 물질을 촉진제라고 한다. 예를 들어, 암모니아 합성에서 알칼리 금속의 존재는 N2 해리 속도를 증가시킨다.
불균일 촉매 촉매 비활성화
독과 촉진제의 존재는 속도 결정 단계의 활성화 에너지를 변경하고 특정 생성물 형성N 대한 촉매의 선택성에 영향을 미칠 수 있다. 양에 따라 물질은 화학 공정에 유리하거나 불리할 수 있다. 예를 들어, 에틸렌 생산에서 소량의 화학흡착된 염소는 Ag-촉매의 CO2에 대한 에틸렌 선택성을 향상시켜 촉진제 역할을 하지만, 너무 많은 염소는 독으로 작용한다.
촉매 비활성화의 다른 메커니즘은 다음과 같다.
산업에서는 촉매 비활성화로 인해 공정 중단 및 촉매 교체로 인해 매년 수십억 달러의 비용이 발생한다.
불균일 촉매 산업적 사례
산업에서는 나노미터 이하에서 수십 미터에 이르는 여러 규모에 걸쳐 반응기 및 촉매 설계와 같은 많은 설계 변수를 고려해야 한다. 기존의 불균일 촉매 반응기에는 회분식 반응기, 연속식 반응기, 유동층 반응기가 포함되며, 최근에는 고정층, 마이크로 채널 및 다기능 불균일 촉매 반응기가 포함된다. 고려해야 할 다른 변수로는 반응기 치수, 표면적, 촉매 유형, 촉매 지지체, 그리고 온도, 압력 및 반응물 농도와 같은 반응기 작동 조건이 있다.
불균일 촉매를 통합한 몇 가지 대규모 산업 공정은 다음과 같다.
자동차에서 디젤 산화 촉매장치는 세 가지 주요 반응을 촉매하는 데 사용된다.
일산화 탄소의 이산화 탄소로의 산화:
2CO(g) + O2(g) → 2CO2(g)
질소 산화물의 질소로의 환원:
2NO(g) + 2CO(g) → N2(g) + 2CO2(g)
탄화수소의 물과 이산화 탄소로의 산화:
2 C6H6 + 15 O2 → 12 CO2 + 6 H2O
불균일 촉매 고체-액체 및 액체-액체 촉매 반응
대부분의 불균일 촉매는 고체이지만, 실제적인 가치를 가지는 몇 가지 변형이 있다. 두 개의 섞이지 않는 용액(액체)의 경우, 하나는 촉매를 운반하고 다른 하나는 반응물을 운반한다. 이러한 설정은 프로필렌의 하이드로포르밀화에 의한 부티르알데히드의 산업적 생산에 적용되는 이중상 촉매 반응의 기초이다.
구디나 툼사
구디나 툼사(Gudina Tumsa, 1929년 – 1979년 7월 28일)는 에티오피아 루터교 및 복음주의 기독교 신학자이자 에티오피아 복음주의 교회 메카네 예수스(EECMY, Ethiopian Evangelical Church Mekane Yesus)의 사무총장이었다. 에티오피아 왈레가(Wollega의 부지(Bodji)에서 태어났다. 구디나는 에큐메니칼 및 초교파 협의회인 에티오피아 교회 협력 협의회 설립을 도왔고 초대 의장으로 선출되었다.  Tumsa는 "신학적 사상과 교회 실천에서 독립을 향한 결정적인 추진력을 교회에 주었다", 서구 기독교의 여러 측면을 비판했다. 그의 신학의 대부분은 그가 교회 지도자들과 일반 대중에게 쓴 편지와 1960년대와 1970년대에 전 세계의 다양한 컨퍼런스에서 한 연설에 담겨 있다.
나노물질 기반 촉매
나노물질 기반 촉매(영어: Nanomaterial-based catalyst)는 일반적으로 금속 나노입자를 기반으로 하는 불균일 촉매이다. 금속 나노입자는 높은 겉넓이를 가지므로 촉매 활성을 증가시킬 수 있다. 나노입자 촉매는 쉽게 분리하고 재활용할 수 있다. 일반적으로 나노입자의 분해나 응집을 방지하기 위해 온화한 조건에서 사용된다. 많은 경우 기판에 지지되지만, 그렇지 않은 경우도 있다.
나노물질 기반 촉매 기능화 나노입자
기능화된 금속 나노입자는 비기능화 금속 나노입자에 비해 용매에 대해 더 안정적이다. 액체 상태에서 금속 나노입자는 반데르발스 힘의 영향을 받을 수 있다. 입자 응집은 때때로 겉넓이를 낮춤으로써 촉매 활성을 감소시킬 수 있다. 나노입자는 고분자나 올리고머로 기능화되어 보호층을 형성하여 나노입자들이 서로 상호작용하는 것을 방지함으로써 입체적으로 안정화될 수 있다. 두 가지 금속의 합금인 이금속 나노입자는 두 금속 간의 촉매 작용에 시너지 효과를 일으키는 데 사용된다.
나노물질 기반 촉매 잠재적 응용 분야
나노입자 촉매는 폴리염화 바이페닐과 같은 C-Cl 결합의 수소화분해에 활성을 보인다. 다른 반응으로 할로겐화된 방향족 아민의 수소화는 제초제 및 살충제뿐만 아니라 경유의 화학 합성에도 중요하다. 유기화학에서 중수소를 이용한 C-Cl 결합의 수소화는 속도론적 동위원소 효과와 관련된 실험에서 사용하기 위해 방향족 고리를 선택적으로 표지하는 데 사용된다. 부일(Buil) 등은 로듐 배위 화합물을 생성하여 로듐 나노입자를 만들었다. 이 나노입자들은 방향족 화합물의 탈할로겐화뿐만 아니라 벤젠의 사이클로헥세인으로의 수소화를 촉매했다.
고분자 안정화 나노입자는 신남알데하이드와 시트로넬랄의 수소화에도 사용될 수 있다. 위(Yu) 등은 루테늄 나노촉매가 기존 촉매에 비해 시트로넬랄의 수소화에 더 선택적임을 발견했다.
나노물질 기반 촉매 잠재적 응용 분야
금, 코발트, 니켈, 팔라듐, 또는 백금 유기금속 복합체를 실란으로 환원시키면 하이드로실릴화 반응을 촉매하는 금속 나노입자가 생성된다. BINAP 기능화 팔라듐 나노입자와 금 나노입자는 온화한 조건에서 스타이렌의 하이드로실릴화에 사용되었으며, 비나노입자 Pd-BINAP 복합체보다 더 촉매 활성이 높고 안정적임이 밝혀졌다. 이 반응은 두 가지 금속으로 구성된 나노입자에 의해서도 촉매될 수 있다.
아디프산을 형성하는 산화 반응은 그림 3에 나타나 있으며, 코발트 나노입자에 의해 촉매될 수 있다. 이는 나일론 6,6 중합체를 생산하기 위한 산업 규모에서 사용된다. 금속 나노입자에 의해 촉매되는 다른 산화 반응의 예로는 사이클로옥테인의 산화, 에텐의 산화, 그리고 포도당 산화가 있다.
금속 나노입자는 올레핀의 하이드로포르밀화 반응, 비타민 E 합성, 헥 반응 및 스즈키-미야우라 반응과 같은 C-C 짝지음 반응을 촉매할 수 있다.
팔라듐 나노입자는 헥 짝지음 반응을 효율적으로 촉매하는 것으로 밝혀졌다. 팔라듐 나노입자 상의 리간드의 전기 음성도가 증가할수록 촉매 활성이 증가하는 것으로 나타났다.
나노물질 기반 촉매 잠재적 응용 분야
화합물 Pd2(dba)3는 Pd(0)의 공급원이며, 이는 짝지음 반응을 포함한 많은 반응에 사용되는 촉매 활성 팔라듐 공급원이다. Pd2(dba)3는 균일 촉매 전구체로 여겨졌으나, 최근 논문들은 팔라듐 나노입자가 형성되어 불균일 촉매 전구체가 된다는 것을 시사한다.
산화 철과 코발트 나노입자는 산화 알루미늄과 같은 다양한 표면 활성 물질에 로딩되어 일산화 탄소 및 수소와 같은 가스를 피셔-트롭쉬 공정을 사용하여 탄화수소 액체 연료로 전환할 수 있다.
나노물질 기반 촉매에 대한 많은 연구는 연료 전지에서 촉매 코팅의 효율성을 극대화하는 것과 관련이 있다. 백금은 현재 이 응용 분야에서 가장 일반적인 촉매이지만, 비싸고 희귀하기 때문에 다른 금속의 촉매 특성을 나노입자로 축소하여 언젠가 백금에 대한 효율적이고 경제적인 대안이 되기를 바라는 많은 연구가 진행되고 있다. 금 나노입자 또한 비활성인 벌크 금과 달리 촉매 특성을 나타낸다.
나노물질 기반 촉매 잠재적 응용 분야
이트륨 안정화 지르코늄 나노입자는 고체 산화물 연료 전지의 효율성과 신뢰성을 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 나노물질 루테늄/백금 촉매는 수소저장을 위한 수소 정화를 촉매하는 데 잠재적으로 사용될 수 있다. 팔라듐 나노입자는 유기금속 리간드로 기능화되어 대기 오염을 제어하기 위해 CO와 NO의 산화를 촉매할 수 있다.
탄소 나노튜브 지지 촉매는 연료 전지의 음극 촉매 지지체로 사용될 수 있으며, 금속 나노입자는 탄소 나노튜브의 성장을 촉매하는 데 사용되어 왔다. 백금-코발트 이금속 나노입자와 탄소 나노튜브의 결합은 더 높은 안정적인 전류를 생성하는 전극을 만들기 때문에 직접 메탄올 연료전지에 유망한 후보이다.
자기화학에서 나노입자는 의학적 용도로 촉매 지지체로 사용될 수 있다.
기존 촉매 작용 외에도 나노물질은 천연 효소를 모방하는 데 탐구되어 왔다. 효소 모방 활성을 가진 나노물질을 나노자임이라고 한다. 많은 나노물질이 산화효소, 과산화효소, 카탈라아제, SOD, 뉴클레아제 등 다양한 천연 효소를 모방하는 데 사용되어 왔다. 나노자임은 바이오센싱 및 바이오이미징부터 치료제 및 수처리까지 다양한 분야에서 폭넓게 응용되고 있다.
나노물질 기반 촉매 전기촉매를 위한 나노구조
나노촉매는 연료 전지 및 전기분해기에서 촉매가 효율에 크게 영향을 미치기 때문에 광범위한 관심을 받고 있다.
연료 전지에서 나노다공성 물질은 음극을 만드는 데 널리 사용된다. 백금의 다공성 나노입자는 나노촉매에서 좋은 활성을 보이지만 안정성이 떨어지고 수명이 짧다.
나노입자 사용의 한 가지 단점은 응집 경향이 있다는 것이다. 이 문제는 올바른 촉매 지지체로 완화할 수 있다. 나노입자는 특정 분자를 감지하도록 조절될 수 있기 때문에 나노센서로 사용하기에 최적의 구조이다. 다중벽 탄소 나노튜브에 전착된 Pd 나노입자의 예는 짝지음 반응의 촉매에 대한 좋은 활성을 보여주었다.
나노와이어는 생산이 더 쉽고 생산 과정에서 특성 제어가 상당히 정밀하기 때문에 전기촉매 목적에 매우 흥미롭다. 또한, 나노와이어는 공간적 확장으로 인해 패러데이 효율을 증가시키고 활성 표면에서 반응물의 가용성을 높일 수 있다.
나노물질 기반 촉매 전기촉매를 위한 나노구조
전기촉매 과정에 관련된 나노구조는 다양한 재료로 구성될 수 있다. 나노구조 재료를 사용함으로써 전기촉매는 우수한 물리화학적 안정성, 높은 활성, 우수한 전도성 및 낮은 비용을 달성할 수 있다. 금속 나노재료는 일반적으로 전이 금속(주로 철, 코발트, 니켈, 팔라듐, 백금)으로 구성된다. 다중 금속 나노재료는 각 금속의 특성으로 인해 새로운 특성을 보여준다. 장점은 활성, 선택성 및 안정성 증가와 비용 절감이다. 금속은 코어-쉘 이금속 구조와 같이 다양한 방식으로 결합될 수 있다. 가장 저렴한 금속이 코어를 형성하고 가장 활성적인 금속(일반적으로 귀금속)이 쉘을 구성한다. 이 설계를 채택함으로써 희귀하고 비싼 금속의 사용을 20%까지 줄일 수 있다.
미래의 과제 중 하나는 우수한 활성과 특히 저렴한 비용을 가진 새로운 안정적인 재료를 찾는 것이다. 비정질 금속, 폴리머 탄소 질화물 (PCN) 및 금속 유기 골격체 (MOF)에서 파생된 재료는 현재 연구가 집중되고 있는 전기촉매 특성을 가진 재료의 몇 가지 예에 불과하다.
나노물질 기반 촉매 광촉매
많은 광촉매 시스템은 귀금속과의 결합으로부터 이점을 얻을 수 있다. 최초의 후지시마-혼다 전지 또한 보조 촉매 판을 사용했다. 예를 들어, 수소 분리를 위한 분산형 광촉매 반응기의 본질적인 설계는 수중 졸로 구성된 분산상이 각각 금속 보조 촉매와 결합된 반도체 퀀텀닷으로 이루어져 있다. 퀀텀닷은 입사하는 전자기 복사를 엑시톤으로 변환하는 반면, 보조 촉매는 전자를 포획하고 전기화학 반응의 과전압을 낮추는 역할을 한다.
나노물질 기반 촉매 나노입자의 특성화
기능화된 나노재료 촉매를 특성화하는 데 사용될 수 있는 일부 기술에는 X선 광전자 분광학, 투과 전자 현미경, 원형 이색성 분광학, 핵자기 공명 분광법, 자외선-가시광선 분광법 및 관련 실험이 포함된다.
나노물질 기반 촉매 더 읽어보기
Santen, Rutger Anthony van; Neurock, Matthew (2006). 《Molecular heterogeneous catalysis : a conceptual and computational approach》 [Online-Ausg.]판. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-29662-0.
열 탈착 분광법
열 탈착 분광법(영어: Thermal desorption spectroscopy, TPD)은 표면 온도가 증가할 때 표면에서 탈착된 분자를 관찰하는 방법이다. 지속적으로 펌핑되는 초고진공 (UHV) 챔버에서 단결정 샘플의 잘 정의된 표면을 사용하여 실험을 수행할 때, 이 실험 기술은 종종 열 탈착 분광법 또는 열 탈착 분석(영어: thermal desorption spectrometry, TDS)이라고도 불린다.
열 탈착 분광법 탈착
분자나 원자가 표면과 접촉하면 표면과 결합을 형성하여 에너지를 최소화하면서 표면에 흡착된다. 결합 에너지는 흡착물과 표면의 조합에 따라 달라진다. 표면을 가열하면 어느 시점에서 흡착된 종으로 전달된 에너지가 탈착을 유발한다. 이 현상이 발생하는 온도를 탈착 온도라고 한다. 따라서 TPD는 결합 에너지에 대한 정보를 보여준다.
열 탈착 분광법 측정
TPD는 탈착된 분자의 질량을 관찰하므로 어떤 분자가 표면에 흡착되어 있는지 보여준다. 또한 TPD는 표면의 다른 위치, 예를 들어 테라스와 계단에서 탈착되는 분자들의 탈착 온도의 차이로부터 동일한 분자의 다른 흡착 조건을 인식한다. TPD는 또한 TPD 스펙트럼 피크의 강도로부터 표면에 흡착된 분자의 양을 얻으며, 흡착된 종의 총량은 스펙트럼의 적분으로 나타난다.
TPD를 측정하기 위해서는 사중극자 질량 분석기 또는 비행 시간형(TOF) 질량 분석기와 같은 질량 분석기가 초고진공(UHV) 조건에서 필요하다. 흡착된 분자의 양은 일반적으로 2 K/s에서 10 K/s의 가열 속도로 온도를 증가시키면서 측정된다. 질량 분석기로 여러 질량을 동시에 측정할 수 있으며, 각 질량의 온도에 따른 강도는 TDS 스펙트럼으로 얻어진다.
가열 절차는 종종 PID 제어 알고리즘에 의해 제어되며, 컨트롤러는 컴퓨터 또는 유로썸과 같은 전문 장비이다.
탈착을 측정하는 다른 방법으로는 열 중량 분석 (TGA) 또는 적외선 감지기, 열전도율 감지기 등을 사용하는 방법이 있다.
열 탈착 분광법 TPD 데이터의 정량적 해석
TDS 스펙트럼 1과 2는 TPD 측정의 전형적인 예시이다. 둘 다 고진공에서 단결정으로부터 NO가 탈착되는 예시이다. 결정은 티타늄 필라멘트에 장착되어 전류로 가열되었다. 탈착되는 NO는 질량 분석기를 사용하여 원자 질량 30을 모니터링하여 측정되었다.
1990년 이전에는 TPD 스펙트럼의 분석이 일반적으로 "레드헤드(Redhead)" 방법이라는 소위 단순화된 방법을 사용하여 이루어졌으며, 이는 지수형 인자와 탈착 에너지가 표면 덮임률과 무관하다고 가정했다. 1990년 이후에는 컴퓨터 알고리즘을 사용하여 TDS 스펙트럼을 "완전 분석 방법" 또는 "선행 에지 방법"을 사용하여 분석했다. 이러한 방법들은 지수형 인자와 탈착 에너지가 표면 덮임률에 의존한다고 가정한다. A.M. 드 용(A.M. de JONG)과 J.W. 니만츠페르드리트(J.W. NIEMANTSVERDRIET)의 논문에서 여러 TDS 분석 방법이 설명되고 비교되었다. 파라미터 최적화/추정 과정에서 적분을 사용하는 것이 미분을 사용하는 것보다 더 잘 작동하는 목적 함수를 생성하는 것으로 밝혀졌다.
열 탈착 분광법 이론적 소개
열 탈착은 아레니우스 방정식에서 파생된 폴라니-비그너(Polanyi-Wigner) 방정식으로 설명된다.
여기서
는 의 함수로써의 탈착 속도 [mol/(cm2 s)],
은 탈착 차수,
는 표면 덮임률,
는 의 함수로써의 지수 앞 인자 [Hz],
는 의 함수로써의 탈착 활성화 에너지 [kJ/mol],
은 기체 상수 [J/(K mol)],
는 온도 [K].
이 방정식은 여러 변수가 덮임률의 함수이며 서로 영향을 미치기 때문에 실제로 다루기 어렵다. "완전 분석 방법"은 여러 덮임률에서 지수 앞 인자와 활성화 에너지를 계산한다. 이 계산은 단순화할 수 있다. 먼저 우리는 지수 앞 인자와 활성화 에너지가 덮임률과 무관하다고 가정한다.
또한 선형 가열 속도를 가정한다:

(방정식 1)
여기서:
는 가열 속도 [K/s],
는 시작 온도 [K],
는 시간 [s].
우리는 시스템의 펌프 속도가 무한히 크다고 가정하므로, 탈착 동안 가스가 흡수되지 않는다. 탈착 중 압력 변화는 다음과 같이 설명된다.

(방정식 2)
열 탈착 분광법 이론적 소개
여기서:
는 시스템 내 압력,
는 시간 [s],
,
는 샘플 표면 [m2],
는 상수,
는 시스템 부피 [m3],
는 탈착 속도 [mol/(cm2 s)],
,
는 펌프 속도,
는 시스템 부피 [m3].
우리는 가 무한히 커서 탈착 과정 중에 분자가 재흡착되지 않는다고 가정하고, 가 에 비해 무한히 작다고 가정한다. 따라서:

(방정식 3)
방정식 2와 3은 탈착 속도가 압력 변화의 함수라는 결론으로 이어진다. 실험에서 압력의 함수인 질량 분석기의 강도와 같은 데이터를 사용하여 탈착 속도를 결정할 수 있다.
지수 앞 인자와 활성화 에너지가 덮임률과 무관하다고 가정했으므로,
열 탈착은 단순화된 아레니우스 방정식으로 설명된다.

(방정식 4)
여기서:
는 탈착 속도 [mol/(cm2 s)],
은 탈착 차수,
는 표면 덮임률,
는 지수 앞 인자 [Hz],
는 탈착 활성화 에너지 [kJ/mol],
은 기체 상수,
열 탈착 분광법 이론적 소개
는 온도 [K].
이전에 언급된 레드헤드(Redhead) 방법 (이는 "완전 분석" 또는 "선행 에지" 방법보다 덜 정밀한 방법이다)과 최대 온도 을 사용하여 활성화 에너지를 결정할 수 있다:

(방정식 5)

n=1일 때
(방정식 6)

n=2일 때
M. 에사시(M. Ehasi)와 K. 크리스트만(K. Christmann)은 2차 반응의 활성화 에너지를 결정하는 간단한 방법을 설명했다.
방정식 6은 다음과 같이 변경될 수 있다.

(방정식 6a)
여기서:
는 TDS 또는 TPD 피크의 표면적이다.
대  그래프는 기울기가 인 직선을 이룬다.
따라서 1차 반응에서 은 표면 덮임률과 무관하다. 표면 덮임률을 변경하면 을 결정할 수 있다. 일반적으로 지수 앞 인자의 고정된 값이 사용되며 는 알려져 있다. 이 값들을 사용하여 으로부터 를 반복적으로 유도할 수 있다.
홍해 국제공항
홍해 국제공항(아랍어: مطار البحر الأحمر الدولي, IATA: RSI, ICAO: OERS)은 사우디아라비아의 얀부의 하낙에 위치한 국제공항으로, 추진 중인 홍해 프로젝트의 일환으로 건설, 운영되고 있다. 2023년 본격적인 운영을 시작하였으며, 2030년 승객 수송 100만 명을 목표로 하고 있다.
홍해 국제공항 역사
홍해 국제공항은 사우디아라비아의 관광 활성화 사업인 홍해 프로젝트의 일환으로 개발 중인 해안 석호와 섬에서 20km 떨어진 곳에 위치하여 건설되었으며, 수륙양용 비행기를 운항할 수 있도록 하였다. 2022년 7월 20일부터 2일간에 걸쳐 비행 테스트를 시행하였으며, 2023년 9월 21일, 사우디아의 리야드 정기 노선으로 첫 운항을 시작하였다.
이후 플라이두바이의 두바이 운항이 시작되었으며, 2025년 10월, 카타르 항공의 도하 운항이 이루어질 예정이다.
허버트 피크 이론
허버트 피크 이론(영어: Hubbert peak theory)은 개별 석유 생산 지역에서 지구 전체에 이르기까지 모든 지리적 영역에서 석유 생산량이 종 모양의 곡선을 따르는 경향이 있다고 설명한다. 이는 석유 생산 정점에 대한 주요 이론 중 하나이다.
특정 곡선을 선택하면 발견율, 생산율 및 누적 생산량을 기반으로 최대 생산 지점이 결정된다. 곡선 초기(정점 이전)에는 발견율과 인프라 추가로 인해 생산율이 증가한다. 곡선 후기(정점 이후)에는 자원 고갈로 인해 생산량이 감소한다.
허버트 피크 이론은 어떤 지역이든 지하에 있는 석유의 양은 유한하다는 관찰에 기초한다. 따라서 처음에는 빠르게 증가하는 발견율은 최대치에 도달한 다음 감소해야 한다. 미국에서는 석유 추출이 32년에서 35년의 시간 지연 후 발견 곡선을 따랐다. 이 이론은 가정된 최종 회수량을 고려하여 생산 곡선을 모델링하는 방법을 개발한 미국의 지구물리학자 킹 허버트의 이름을 따서 명명되었다.
허버트 피크 이론 허버트 피크
"허버트 피크"는 특정 지역의 생산 정점을 의미할 수 있으며, 이는 현재 많은 유전과 지역에서 관찰되고 있다.
허버트 피크는 1970년대 초 미국 본토 48개 주(알래스카와 하와이 제외)에서 달성된 것으로 여겨졌다. 석유 생산량은 1970년에 하루 10.2백만 배럴 (1.62×10^6 m3)로 정점을 찍은 후, 허버트가 1950년대 중반에 예측한 패턴과 매우 유사하게 이후 35년 동안 감소했다. 그러나 20세기 후반부터 추출 기술, 특히 셰일 오일 및 비전통석유 추출로 이어진 기술 발전으로 인해 미국 석유 생산량이 크게 증가했다. 따라서 허버트가 본토 48개 주 전체에 대해 예측한 모델과 크게 다른 패턴을 보였다. 이러한 고급 추출 기술을 활용하는 유정의 생산량은 기존 방식보다 훨씬 가파른 감소율을 보인다. 2017년 11월, 미국은 1970년 이후 처음으로 다시 하루 1천만 배럴을 넘어섰다.
허버트 피크 이론 허버트 피크
고유명사로서의 석유 생산 정점 또는 더 일반적으로 적용되는 "허버트 피크"는 예측된 사건, 즉 지구 전체의 석유 생산 정점을 의미한다. 허버트 피크 이론에 따르면 석유 생산 정점 이후 지구의 석유 생산율은 종말적 감소기에 접어들게 된다. 허버트는 그의 이론을 바탕으로 1956년 미국 석유 협회에 제출한 논문에서 미국 대륙의 재래식 유정에서 나오는 석유 생산량이 1965년에서 1970년 사이에 정점에 이를 것이라고 정확하게 예측했다. 허버트는 또한 출판 후 "약 반세기" 후에 세계적인 정점이 도래할 것이며, 그 규모는 연간 약 12기가배럴(GB)에 달할 것이라고 예측했다. 1976년 TV 인터뷰에서 허버트는 OPEC의 조치가 전 세계 생산 곡선을 평평하게 만들 수 있지만, 이는 정점을 10년 정도만 지연시킬 것이라고 덧붙였다. 새로운 기술의 발전으로 대량의 비전통 자원에 대한 접근이 가능해졌고, 생산량 증가는 허버트의 예측을 상당 부분 무력화시켰다.
허버트 피크 이론 허버트 이론
1956년 허버트는 특정 지역의 화석 연료 생산량이 정확한 공식을 제시하지 않고 대략 종 모양의 곡선을 따를 것이라고 제안했다. 그는 나중에 과거에 관찰된 발견을 사용하여 미래 생산량을 추정하기 위해 로지스틱 곡선의 미분인 허버트 곡선을 사용했다.
허버트는 화석 연료 매장량(석유 매장량, 석탄 매장량, 천연가스 매장량)이 발견된 후, 더 많은 추출이 시작되고 더 효율적인 시설이 설치되면서 생산량이 처음에는 대략 지수적으로 증가한다고 가정했다. 어느 시점에서 최대 생산량이 도달하고, 생산량은 지수적 감소에 가까워질 때까지 감소하기 시작한다.
허버트 곡선은 이러한 제약 조건을 만족시킨다. 또한 대칭적이며, 궁극적으로 생산될 화석 연료의 절반이 생산되었을 때 생산 정점에 도달한다. 또한 단일 정점을 가지고 있다.
과거의 석유 발견 및 생산 데이터를 바탕으로, 과거 발견 데이터를 근사화하려는 허버트 곡선을 구성하여 미래 생산량 추정에 사용할 수 있다. 특히, 석유 생산 정점의 날짜 또는 궁극적으로 생산될 총 석유량을 이러한 방식으로 추정할 수 있다. 카발로는 미국의 정점을 예측하는 데 사용되는 허버트 곡선을 다음의 미분으로 정의한다.
허버트 피크 이론 허버트 이론
여기서 max는 총 가용 자원(원유의 최종 회수량), 는 누적 생산량이며, 와 는 상수이다. 최대 연간 생산량(정점)의 해는 다음과 같다.
따라서 누적 생산량 는 총 가용 자원의 절반에 도달한다.
허버트 방정식은 석유 생산이 정점을 중심으로 대칭이라고 가정한다. 다른 연구자들은 경험적 생산 데이터에 더 잘 맞는 유사하지만 비대칭적인 방정식을 사용하기도 했다.
허버트 피크 이론 허버트 이론
허버트 본인이 개발하지 않은 기법인 여러 허버트 곡선의 합계를 사용하여 더 복잡한 실제 시나리오를 모델링할 수 있다. 새로운 생산 방법, 즉 수압파쇄법이 이전에 비생산적이었던 오일 셰일층에 개척되었을 때, 갑작스럽고 극적인 생산량 증가는 별도의 곡선을 필요로 했다. 이러한 기술의 발전은 제한적이지만, 패러다임을 바꾸는 아이디어가 생산에 영향을 미쳐 새로운 곡선을 이전 곡선에 추가하거나 전체 곡선을 재작업해야 할 필요가 생길 수 있다. 셰일 유정의 생산량은 전통적인 유정과 다르다는 점에 유의해야 하며, 이는 잘 문서화되어 있다. 전통적인 유정의 감소율은 완만하며, 저수지가 고갈됨에 따라 느리고 예측 가능한 감소율을 보인다(밀크셰이크를 마시는 것과 같음). 반면, 셰일 유정의 생산량은 성공적인 파쇄를 가정할 경우 유정이 가동되는 순간 최고 생산량에 도달하며, 그 직후 급격한 감소율을 보인다. 그러나 이러한 유형의 생산 방법의 혁명적인 측면 중 하나는 유정을 재파쇄할 수 있는 능력이다. 파쇄 기술을 대상 지층에 다시 적용하면 생산량을 거의 최고 수준으로 되돌릴 수 있다. 이는 셰일 내부에 단단히 갇힌 탄화수소를 다시 방출하여 표면으로 끌어올릴 수 있게 한다. 이 과정은 작업자가 원하는 시장 조건이 형성될 때까지 의도적으로 유정을 재작업하지 않음으로써 곡선을 외부로 조작할 수 있게 한다.
허버트 피크 이론 허버트 이론
허버트는 1956년 논문에서 미국 원유 생산량에 대한 두 가지 시나리오를 제시했다.
허버트의 상한 추정치(그는 이를 낙관적이라고 생각했다)는 미국 석유 생산량이 1970년에 정점에 이를 것이라고 정확하게 예측했지만, 실제 정점은 허버트 곡선보다 17% 높았다. 생산량은 허버트가 예측한 대로 감소했으며, 1974년부터 1994년까지 허버트가 예측한 값의 10% 이내를 유지했다. 그 이후 실제 생산량은 허버트 곡선보다 훨씬 더 많았다. 새로운 기술의 개발로 대량의 비전통 자원에 접근할 수 있게 되었고, 생산량 증가는 허버트의 예측을 상당 부분 무력화시켰다.
허버트 피크 이론 허버트 이론
허버트의 1956년 생산 곡선은 궁극적인 회수 가능 석유 자원에 대한 지질학적 추정치에 의존했지만, 그는 미국에 대한 110억에서 590억 배럴에 이르는 다양한 추정치로 인해 발생하는 불확실성에 불만을 가졌다. 1962년 출판물부터 그는 미래 발견에 대한 지질학적 추정치와는 독립적으로 생산율, 입증된 매장량, 새로운 발견에 대한 수학적 분석만을 기반으로 최종 회수량을 포함한 계산을 수행했다. 그는 미국 본토 48개 주의 최종 회수 가능 석유 자원이 1700억 배럴이며, 1966년 또는 1967년에 생산 정점에 이를 것이라고 결론지었다. 그는 자신의 모델이 과거의 기술 발전을 통합했기 때문에 미래의 어떤 발전도 같은 속도로 일어날 것이며, 또한 통합될 것이라고 생각했다. 허버트는 1965년과 1967년 출판물에서 1700억 배럴이라는 자신의 계산을 계속 옹호했으며, 1967년에는 정점 시기를 1968년 또는 1969년으로 약간 앞당겼다.
정점을 찍은 유정, 유전, 지역 및 국가에 대한 사후 분석 결과 허버트 모델이 "가장 널리 유용"(데이터에 가장 잘 맞는)하다는 것이 밝혀졌지만, 연구된 많은 지역에서는 예측보다 더 가파른 "정점"이 나타났다.
2007년 영국 에너지 연구 센터의 석유 고갈 연구는 석유 생산이 로지스틱 곡선을 따를 것이라고 가정할 이론적 또는 견고한 실제적인 이유가 없음을 지적했다. 또한 최종 회수 가능 자원의 절반이 생산되었을 때 정점이 발생할 것이라고 가정할 이유도 없으며, 사실 경험적 증거는 이 아이디어와 모순되는 것으로 보인다. 정점 이후 55개국에 대한 분석 결과 평균 정점은 최종 회수량의 25%에서 발생했다.
허버트는 또한 천연가스 생산이 석유와 유사한 로지스틱 곡선을 따를 것이라고 예측했다. 그래프는 1962년에 발표된 그의 예측된 미국 가스 생산량(빨간색)과 실제 가스 생산량(파란색)을 비교하여 보여준다.
허버트 피크 이론 경제학
공정에서 추출된 에너지와 소요된 에너지의 비율은 종종 에너지 투자 대비 에너지 회수율(EROI 또는 EROEI)이라고 불린다. EROEI가 1로 떨어지거나, 또는 순 에너지 이득이 0으로 떨어지면 석유 생산은 더 이상 순 에너지원이 아니다.
석유 측정 단위인 배럴과 에너지 측정 단위인 석유환산배럴 (BOE) 사이에는 차이가 있다. 핵분열, 태양, 바람, 석탄과 같은 많은 에너지원은 석유와 같은 단기 공급 제약의 대상이 아니다. 따라서 EROEI가 0.5인 석유원도 생산에 필요한 에너지가 저렴하고 풍부한 에너지원에서 나온다면 유용하게 활용될 수 있다. 일부 유전에서 저렴하지만 운송이 어려운 천연가스의 가용성은 천연가스를 사용하여 향상된 석유 회수를 추진하는 것으로 이어졌다. 마찬가지로, 막대한 양의 천연가스가 대부분의 아타바스카 타르 샌드 발전소에 동력을 공급하는 데 사용된다. 저렴한 천연가스는 또한 순 EROEI가 1 미만인 에탄올 연료를 생산하는 것으로 이어졌지만, 이 분야의 수치는 EROEI를 측정하는 방법이 논쟁 중이기 때문에 논란의 여지가 있다.
허버트 피크 이론 경제학
노력 단위당 생산되는 석유 및 가스량의 불가피한 감소 가정은 미국에서의 최근 경험과는 상반된다. 2017년 현재 미국에서는 모든 주요 타이트 오일 및 가스 생산지에서 석유 및 가스 시추 생산성이 10년 동안 지속적으로 증가하고 있다. 예를 들어, 미국 에너지 정보국은 노스다코타 주의 바켄 셰일 생산 지역에서 2017년 1월의 시추 리그 시간당 석유 생산량이 5년 전인 2012년 1월의 시추 시간당 석유량의 4배였고, 10년 전인 2007년 1월의 시추 시간당 석유량의 거의 10배에 달했다고 보고했다. 북동부의 마셀러스 가스 지역에서는 2017년 1월의 시추 시간당 가스 생산량이 5년 전인 2012년 1월의 시추 시간당 가스량의 3배였고, 10년 전인 2007년 1월의 시추 시간당 가스량의 28배였다고 보고했다.
경제성장이 석유 소비 증가에 의해 주도되는 한, 정점 이후 사회는 적응해야 한다. 허버트는 이렇게 생각했다.
허버트 피크 이론 경제학
우리의 주요 제약은 문화적이다. 지난 두 세기 동안 우리는 지수적 성장만을 경험했으며, 그와 병행하여 우리는 안정성을 위해 지수적 성장의 지속에 너무나도 의존하여 비성장의 문제를 해결할 능력이 없는 지수적 성장 문화를 발전시켜왔다. — 킹 허버트, "인류 역사에서 일시적인 현상으로서의 지수적 성장"
일부 경제학자들은 이 문제를 비경제적 성장 또는 가짜 경제라고 설명한다. 우파에서는 프레드 이클이 "영원한 성장의 유토피아에 중독된 보수주의자들"에 대해 경고했다. 1973년과 1979년의 짧은 석유 공급 중단은 세계 GDP 성장을 현저히 늦추었지만 멈추지는 않았다.
1950년에서 1984년 사이에 녹색 혁명이 전 세계 농업을 변화시키면서 세계 곡물 생산량은 250% 증가했다. 녹색 혁명의 에너지는 화석 연료의 형태로 비료 (천연가스), 살충제 (석유), 탄화수소 연료 관개에 의해 제공되었다.
허버트 피크 이론 경제학
코넬 대학교의 생태학 및 농업 교수인 데이비드 피멘텔과 이탈리아 국립 식품 영양 연구소(INRAN)의 선임 연구원인 마리오 지암피에트로가 2003년 연구 "식량, 토지, 인구 및 미국 경제"에서 지속 가능한 경제를 위한 최대 미국 인구를 2억 명으로 보았다(2003년 실제 인구 약 2억 9천만 명, 2019년 3억 2천 9백만 명). 이 연구는 지속 가능한 경제를 달성하기 위해 세계 인구가 3분의 2로 줄어야 한다고 주장한다. 인구 감소가 없으면 이 연구는 2020년부터 농업 위기가 시작되어 2050년경에는 심각해질 것이라고 예측한다. 세계 석유 생산 정점과 지역 천연가스 생산 감소는 일반적으로 예상보다 빨리 이러한 농업 위기를 촉발할 수 있다. 데일 앨런 파이퍼는 향후 수십 년 동안 해소되지 않는 식량 가격 상승과 전례 없는 전 세계적인 대규모 굶주림이 발생할 수 있다고 주장한다.
허버트 피크 이론 허버트 피크
허버트 피크 이론은 석유 생산 정점과 관련하여 가장 많은 주목을 받지만, 다른 재생 가능 자원에도 적용되었다.
더그 레이놀즈는 2005년에 북미의 정점이 2007년에 발생할 것이라고 예측했다. 벤틀리는 전 세계 "재래식 가스 생산량이 약 2020년부터 감소할 것"이라고 예측했다.
관찰자들은 석탄 정점이 석유 정점보다 훨씬 나중에 올 것이라고 믿었지만 허버트는 미국에서 1920년대에 생산 정점을 찍은 고품질 석탄인 무연탄의 특정 사례를 연구했다. 허버트는 무연탄이 곡선과 거의 일치한다는 것을 발견했다. 허버트는 전 세계 석탄 매장량을 2.500 × 1012 미터톤으로 추정했으며, 사용량에 따라 2150년경에 정점을 찍을 것으로 보았다.
허버트 피크 이론 허버트 피크
더 최근의 추정치는 더 이른 정점을 시사한다. 독일 의회에 보고하는 에너지 감시 그룹(EWG)이 2007년 4월 5일에 발표한 "석탄: 자원 및 미래 생산" (PDF 630KB) 보고서는 세계 석탄 생산량이 15년 이내에 정점에 달할 수 있다고 밝혔다. 이에 대해 리처드 하인버그는 가장 에너지 밀도가 높은 종류의 석탄이 가장 광범위하게 채굴되었기 때문에 석탄에서 연간 에너지 추출의 정점 날짜가 석탄량(연간 톤)의 정점 날짜보다 더 일찍 올 가능성이 높다고 지적한다. 유럽 연합 공동 연구 센터를 위해 에너지 연구소(IFE)의 B. 카발로와 S. D. 페테베스가 준비한 두 번째 연구인 "석탄의 미래"는 비슷한 결론에 도달하며 "석탄은 미래에 에너지원으로서 그리 풍부하고 널리 이용 가능하며 신뢰할 수 없을 수 있다"고 명시한다.
데이비드 러틀리지의 연구는 전 세계 총 석탄 생산량이 약 450 기가톤에 불과할 것이라고 예측한다. 이는 석탄이 일반적으로 가정하는 것보다 더 빨리 고갈되고 있음을 의미한다.
1956년 논문에서 미국 핵분열성 매장량을 검토한 후, 허버트는 핵 에너지에 대해 다음과 같이 언급했다.
허버트 피크 이론 허버트 피크
2015년 현재, 확인된 우라늄 자원은 현재 소비율로 135년 이상 공급하기에 충분하다. 토륨 연료 사이클, 재처리 및 고속증식로와 같은 기술은 이론적으로 우라늄 매장량의 수명을 수백 년에서 수천 년으로 연장할 수 있다.
캘텍 물리학 교수 데이비드 굿스타인은 2004년에 다음과 같이 말했다.
지구상의 거의 모든 헬륨은 우라늄과 토륨의 방사성 붕괴의 결과물이다. 헬륨은 헬륨을 최대 7%까지 함유한 천연가스에서 분별 증류를 통해 추출된다. 세계 최대의 헬륨이 풍부한 천연가스전은 미국, 특히 휴고턴과 캔자스, 오클라호마, 텍사스의 인근 가스전에서 발견된다. 추출된 헬륨은 자칭 "세계 헬륨의 수도"인 애머릴로 근처의 국립 헬륨 비축고 지하에 저장된다. 헬륨 생산량은 이 지역의 천연가스 생산량과 함께 감소할 것으로 예상된다.
두 번째로 가벼운 원소인 헬륨은 지구 대기 상층부로 상승하여 지구의 중력에서 영원히 벗어날 수 있다. 대기 탈출 메커니즘으로 인해 연간 약 1,600톤의 헬륨이 손실된다.
허버트 피크 이론 허버트 피크
허버트는 자신의 이론을 "특정 금속의 농도가 비정상적으로 높은 암석"에 적용했으며, 구리, 주석, 납, 아연 등과 같은 금속의 생산 정점은 수십 년 내에 발생하고 철은 석탄과 같이 두 세기 내에 발생할 것이라고 추론했다. 구리 가격은 2003년에서 2007년 사이에 500% 상승했으며 일부는 이를 피크 구리 때문이라고 보았다. 이후 세계 경기 침체에 대한 우려로 수요가 감소하면서 구리 가격은 다른 많은 상품 및 주식 가격과 함께 하락했다. 리튬 가용성은 리튬 이온 배터리를 사용하는 자동차들의 문제이지만, 1996년에 발표된 논문은 세계 매장량이 적어도 50년 동안 충분하다고 추정했다. 백금 연료 전지 사용에 대한 유사한 예측은 이 금속이 쉽게 재활용될 수 있다고 언급한다.
허버트 피크 이론 허버트 피크
2009년 캐나다 금광 대기업 Barrick Gold의 사장 애런 리전트는 2000년대 초반부터 전 세계 생산량이 연간 약 100만 온스씩 감소하고 있다고 말했다. 광석 품질이 저하되면서 전 세계 총 광산 공급량은 10% 감소했으며, 이는 지난 8년간의 급성장하는 강세장이 계속될 수 있음을 시사한다. 그는 런던에서 열린 RBC의 연례 금 회의에서 "우리가 이미 '피크 골드'에 도달했다는 강력한 주장이 있다"고 데일리 텔레그래프에 말했다. "생산량은 2000년경에 정점을 찍고 그 이후로 계속 감소하고 있으며, 우리는 이 감소가 계속될 것으로 예상한다. 광석을 찾기가 점점 더 어려워지고 있다"고 그는 말했다.
광석 품위는 1950년대의 톤당 약 12그램에서 미국, 캐나다, 호주에서는 3그램에 가까운 수준으로 떨어졌다. 남아프리카 공화국의 생산량은 1970년에 정점을 찍은 이후 절반으로 줄었다. 2008년 남아프리카 공화국의 생산량은 회사가 고갈된 매장량을 대체하기 위해 더 깊이(더 많은 비용으로) 파고들어야 했기 때문에 추가로 14% 감소했다.
허버트 피크 이론 허버트 피크
세계 금광 생산량은 1900년 이후 1912년, 1940년, 1971년, 2001년에 네 번 정점을 찍었으며, 각 정점은 이전 정점보다 높았다. 가장 최근의 정점은 2001년으로, 생산량이 2,600미터톤에 도달한 후 몇 년간 감소했다. 생산량은 높은 금값에 힘입어 2009년에 다시 증가하기 시작했으며, 2012년, 2013년, 2014년에 각각 사상 최고치를 기록하여 2,990톤에 도달했다.
허버트 피크 이론 허버트 피크
인 공급은 농업에 필수적이며, 매장량 고갈은 60년에서 130년 사이로 추정된다. 2008년 연구에 따르면 총 인 매장량은 약 3,200MT로 추정되며, 2034년에 연간 28MT로 최대 생산량을 기록할 것으로 예상된다. 개별 국가의 공급량은 크게 다르다. 재활용 계획이 없다면 미국의 공급량은 약 30년으로 추정된다. 인 공급은 농업 생산량에 영향을 미치며, 이는 바이오디젤 및 에탄올과 같은 대체 연료를 제한한다. 인의 가격 상승과 희소성(2008년 중반까지 2년 동안 인광석의 세계 가격이 8배 상승)은 세계 농업 패턴을 변화시킬 수 있다. 그란차코와 같이 접근성은 떨어지지만 인 함량이 매우 높은 지역은 농업 개발이 더 활발해질 수 있는 반면, 영양분이 제약이 되는 다른 농업 지역은 수익성 이하로 떨어질 수 있다.
화석 자원과 달리 숲은 계속 자라기 때문에 허버트 피크 이론은 적용되지 않는다. 과거에는 독일어권 지역에서 홀츠노트라고 불리는 목재 부족이 있었지만, 2021년 초의 "재목 위기"에도 불구하고 아직 전 세계적인 피크 목재는 발생하지 않았다. 게다가 벌목은 숲의 생물 펌프 효과를 종식시켜 침식 및 가뭄과 같은 다른 문제를 야기할 수 있다.
허버트의 원래 분석은 재생 가능 자원에는 적용되지 않았다. 그러나 과도한 개발은 그럼에도 불구하고 허버트 피크를 초래하는 경우가 많다. 수정된 허버트 곡선은 보충되는 속도보다 더 빠르게 채취될 수 있는 모든 자원에 적용된다.
예를 들어, 오갈랄라 대수층과 같은 매장량은 보충 속도를 훨씬 초과하는 속도로 채굴될 수 있다. 이는 세계 지하수와 호수의 상당 부분을 유한한 자원으로 만들고, 석유와 유사한 최대 사용량 논쟁을 불러일으킨다. 이러한 논쟁은 주로 농업 및 교외 물 사용에 집중되지만, 위에서 언급한 핵 에너지 또는 석탄 및 타르 샌드 채굴을 통한 전기 생산도 물 자원 집약적이다. 화석수라는 용어는 물이 보충되지 않는 대수층을 설명하는 데 사용되기도 한다.
적어도 한 연구원은 포경 산업에 허버트 곡선 선형화를 시도했으며, 철갑상어 고갈에 따른 캐비어 가격의 명확한 의존도를 도표화했다. 대서양 북서부 대구 어업은 재생 가능 자원이었지만, 잡힌 물고기의 수가 물고기의 회복률을 초과했다. 대구 어업의 종말은 허버트 종형 곡선의 지수적 감쇠와 일치한다. 또 다른 예는 북해의 대구이다.
세계 산소의 절반은 식물성 플랑크톤에 의해 생산된다. 플랑크톤은 1950년대 이후 40% 감소한 것으로 한때 생각되었다. 그러나 저자들은 더 나은 보정으로 데이터를 재분석하여 이 기간 동안 플랑크톤 풍부도가 전 세계적으로 몇 퍼센트만 감소했음을 발견했다 (Boyce et al. 2014)
허버트 피크 이론 석유 생산 정점에 대한 비판
경제학자 마이클 린치는 허버트 곡선 뒤에 있는 이론이 지나치게 단순하며 과도하게 맬서스적 관점에 의존한다고 주장한다. 린치는 캠벨의 세계 석유 생산량 예측이 과소평가 쪽으로 강하게 편향되어 있으며, 캠벨이 repeatedly 날짜를 뒤로 미루었다고 주장한다.
이탈리아 에너지 회사 에니의 부사장 레오나르도 마우제리는 거의 모든 정점 추정치가 비전통석유를 고려하지 않는다고 주장한다. 이 자원의 가용성이 상당하고 추출 및 처리 비용이 여전히 매우 높지만, 기술 발전으로 인해 감소하고 있다는 것이다. 그는 또한 기존 세계 유전의 회수율이 1980년 약 22%에서 오늘날 35%로 증가했으며, 이러한 추세가 계속될 것이라고 예측한다. 입증된 석유 매장량과 현재 생산량 간의 비율은 지속적으로 개선되어 1948년 20년에서 1972년 35년으로 증가했으며 2003년에는 약 40년에 도달했다. 이러한 개선은 지난 20년간의 낮은 유가로 인해 새로운 탐사 및 기술 업그레이드에 대한 투자가 적었음에도 불구하고 발생했다. 그러나 마우제리는 더 많은 탐사를 장려하려면 비교적 높은 유가가 필요하다고 생각한다.