바닷물에서 직접 수소를 얻는 새로운 방법
- 기술 / 문광주 기자 / 2023-02-08 22:16:10
3'10" 읽기
- 일반적인 방식으로는 정화되고 담수화된 물이 필요
- 복잡한 전처리나 담수화 없이 해수를 분리하는 새로운 전해조로 가능해
- 과학자들, 촉매 필라멘트를 극도로 얇은 크롬(III) 산화물(Cr2O3) 층으로 추가로 코팅
- 이 기술은 해수(예: 해양 플랜트)에서 비교적 저렴하게 직접 수소를 생성할 수 있는 새로운 가능성을 열어
공해 또는 연안에서 녹색 수소를 생산하면 몇 가지 이점이 있다. 해상 풍력 발전소는 전기 분해를 위한 기후 친화적인 전기를 공급할 수 있다. 이를 위해 수소는 화학 에너지 저장 장치 역할을 하여 과도한 전기를 완충하는 데 사용할 수 있다. 또한 수소 생산을 위한 가장 중요한 원료는 바다에 풍부하게 존재한다.
부식 및 침전물
불행히도 그렇게 간단하지 않다. 일반적인 전기 분해 시스템은 바닷물을 견딜 수 없다. 해수에 용해된 염은 물 분해 중에 방출되어 전극 재료와 반응한다. 그 결과 급속한 부식과 침전물 차단이 발생해 전해조를 사용할 수 없게 된다. 지금까지는 해수를 먼저 담수화해야 했으며, 강산이나 강염기를 사용하여 방출된 이온을 결합했다.
또한 "양극에서 산소 생성과 음극에서 수소 생성을 위한 촉매 활성은 중성 해수에서 매우 낮다"고 중국 Tianjin University의 Jiaxin Guo와 그의 동료들은 설명했다. “따라서 훨씬 더 높은 전압이 필요하다. 그러나 이것은 염화물이온에 의한 훨씬 더 유해한 부식과 산화를 유발한다.”
촉매로서 산화크롬과 산화코발트의 조합
이 문제에 대한 해결책으로 Guo와 그의 동료들은 이제 바닷물에서도 효율적으로 작용할 수 있고 동시에 부식과 퇴적물로부터 보호할 수 있는 새로운 유형의 촉매를 개발했다. 촉매는 산화코발트(CoOx)로 코팅된 얇은 탄소 실로 구성된다. 이 물질은 물 분해에 좋은 촉매제이지만 해수에서는 빠르게 기능을 잃는다.
이를 방지하기 위해 과학자들은 이 촉매 필라멘트를 극도로 얇은 크롬(III) 산화물(Cr2O3) 층으로 추가로 코팅했다. "이 화합물은 해수 전기분해의 전체 작동 범위에 걸쳐 전기화학적으로 안정적이다"고 Guo와 그의 팀은 설명했다. 더 중요한 것은 크롬(III) 산화물이 강한 루이스 산이라는 것이다. 이는 전자와 음전하 이온을 결합하여 전극에서 멀리 떨어뜨릴 수 있다.
순수한 물 전해조만큼 강력
초기 실제 테스트에서 연구원들은 백금 및 이산화 루테늄을 촉매로 사용하는 표준 순수 시스템과 전기 분해 시스템의 성능 및 내구성을 비교했다. 해수 분해를 위해 그들은 티타늄 메쉬가 전극 역할을 하고 Cr2O3–CoOx가 촉매 역할을 하고 반투과성 나피온(Nafion) 멤브레인이 분리막 역할을 하는 유동식 전해조를 구성했다. 테스트에서 분당 60ml(밀리리터)의 물이 두 전해조를 통해 흘렀다. 한 경우에는 해수, 다른 경우에는 증류수였다.
결과:
해수 전해조는 기존의 순수 시스템만큼 효율적이고 안정적으로 작동했다. 그는 수소와 산소에 대해 93%와 92%의 패러데이 효율을 달성했다. Guo와 그의 동료들은 "이는 염화물과 수산화물 부산물이 거의 형성되지 않았음을 나타낸다"고 보고했다. 이것은 시스템이 센티미터당 500밀리암페어에서 100시간 이상 후에도 상당한 성능 저하 없이 여전히 안정적으로 작동하는 이유 중 하나다.
유망한 접근
"우리는 바닷물을 전처리할 필요 없이 거의 100% 효율로 일반 바닷물을 산소와 수소로 분리하는 데 사용했다"고 Adelaide 대학의 공저자인 Shizhang Qiao는 말했다. 1.87볼트 와 60도에서 처리되지 않은 해수를 사용하여 전해조는 제곱센티미터당 1암페어의 전력 밀도를 달성했으며 이는 연구원들에 따르면 산업 표준에 해당한다. 또한 촉매는 고가의 백금 금속이 아닌 귀중하지 않은 비교적 저렴한 물질로 구성되어 있다.
과학자들에 따르면 이 기술은 해수(예: 해양 플랜트)에서 비교적 저렴하게 직접 수소를 생성할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. Guo와 그의 동료들은 이미 상용 애플리케이션에 통합될 수 있도록 더 큰 규모로 시스템을 구축하고 있다.
(Nature Energy, 2023; doi: 10.1038/s41560-023-01195-x)
출처: University of Adelaide
- 일반적인 방식으로는 정화되고 담수화된 물이 필요
- 복잡한 전처리나 담수화 없이 해수를 분리하는 새로운 전해조로 가능해
- 과학자들, 촉매 필라멘트를 극도로 얇은 크롬(III) 산화물(Cr2O3) 층으로 추가로 코팅
- 이 기술은 해수(예: 해양 플랜트)에서 비교적 저렴하게 직접 수소를 생성할 수 있는 새로운 가능성을 열어
바닷물에서 직접 수소
복잡한 전처리나 담수화 없이 해수를 분리하는 새로운 전해조
공해에서 수소 생산을 위한 다음 단계:
연구자들은 염수를 사전에 담수화하고 전처리할 필요 없이 해수와도 효율적으로 작동하는 전기분해 시스템을 개발했다. 이는 부식 및 침전물로부터 전극을 보호하는 특수 코팅된 촉매에 의해 가능하다. 과학자들이 "Nature Energy"에 보고한 것처럼 손상을 일으키기 전에 전기분해 중에 형성된 반응성 이온을 차단한다.
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| ▲ 일반적인 양성자 교환 막 전해조(PEM)의 작동 방식. 이러한 시스템이 안정적으로 작동하려면 정화되고 담수화된 물이 필요하다. © Davidlfritz/ CC-by-sa 3.0 |
공해 또는 연안에서 녹색 수소를 생산하면 몇 가지 이점이 있다. 해상 풍력 발전소는 전기 분해를 위한 기후 친화적인 전기를 공급할 수 있다. 이를 위해 수소는 화학 에너지 저장 장치 역할을 하여 과도한 전기를 완충하는 데 사용할 수 있다. 또한 수소 생산을 위한 가장 중요한 원료는 바다에 풍부하게 존재한다.
부식 및 침전물
불행히도 그렇게 간단하지 않다. 일반적인 전기 분해 시스템은 바닷물을 견딜 수 없다. 해수에 용해된 염은 물 분해 중에 방출되어 전극 재료와 반응한다. 그 결과 급속한 부식과 침전물 차단이 발생해 전해조를 사용할 수 없게 된다. 지금까지는 해수를 먼저 담수화해야 했으며, 강산이나 강염기를 사용하여 방출된 이온을 결합했다.
또한 "양극에서 산소 생성과 음극에서 수소 생성을 위한 촉매 활성은 중성 해수에서 매우 낮다"고 중국 Tianjin University의 Jiaxin Guo와 그의 동료들은 설명했다. “따라서 훨씬 더 높은 전압이 필요하다. 그러나 이것은 염화물이온에 의한 훨씬 더 유해한 부식과 산화를 유발한다.”
촉매로서 산화크롬과 산화코발트의 조합
이 문제에 대한 해결책으로 Guo와 그의 동료들은 이제 바닷물에서도 효율적으로 작용할 수 있고 동시에 부식과 퇴적물로부터 보호할 수 있는 새로운 유형의 촉매를 개발했다. 촉매는 산화코발트(CoOx)로 코팅된 얇은 탄소 실로 구성된다. 이 물질은 물 분해에 좋은 촉매제이지만 해수에서는 빠르게 기능을 잃는다.
이를 방지하기 위해 과학자들은 이 촉매 필라멘트를 극도로 얇은 크롬(III) 산화물(Cr2O3) 층으로 추가로 코팅했다. "이 화합물은 해수 전기분해의 전체 작동 범위에 걸쳐 전기화학적으로 안정적이다"고 Guo와 그의 팀은 설명했다. 더 중요한 것은 크롬(III) 산화물이 강한 루이스 산이라는 것이다. 이는 전자와 음전하 이온을 결합하여 전극에서 멀리 떨어뜨릴 수 있다.
순수한 물 전해조만큼 강력
초기 실제 테스트에서 연구원들은 백금 및 이산화 루테늄을 촉매로 사용하는 표준 순수 시스템과 전기 분해 시스템의 성능 및 내구성을 비교했다. 해수 분해를 위해 그들은 티타늄 메쉬가 전극 역할을 하고 Cr2O3–CoOx가 촉매 역할을 하고 반투과성 나피온(Nafion) 멤브레인이 분리막 역할을 하는 유동식 전해조를 구성했다. 테스트에서 분당 60ml(밀리리터)의 물이 두 전해조를 통해 흘렀다. 한 경우에는 해수, 다른 경우에는 증류수였다.
결과:
해수 전해조는 기존의 순수 시스템만큼 효율적이고 안정적으로 작동했다. 그는 수소와 산소에 대해 93%와 92%의 패러데이 효율을 달성했다. Guo와 그의 동료들은 "이는 염화물과 수산화물 부산물이 거의 형성되지 않았음을 나타낸다"고 보고했다. 이것은 시스템이 센티미터당 500밀리암페어에서 100시간 이상 후에도 상당한 성능 저하 없이 여전히 안정적으로 작동하는 이유 중 하나다.
유망한 접근
"우리는 바닷물을 전처리할 필요 없이 거의 100% 효율로 일반 바닷물을 산소와 수소로 분리하는 데 사용했다"고 Adelaide 대학의 공저자인 Shizhang Qiao는 말했다. 1.87볼트 와 60도에서 처리되지 않은 해수를 사용하여 전해조는 제곱센티미터당 1암페어의 전력 밀도를 달성했으며 이는 연구원들에 따르면 산업 표준에 해당한다. 또한 촉매는 고가의 백금 금속이 아닌 귀중하지 않은 비교적 저렴한 물질로 구성되어 있다.
과학자들에 따르면 이 기술은 해수(예: 해양 플랜트)에서 비교적 저렴하게 직접 수소를 생성할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. Guo와 그의 동료들은 이미 상용 애플리케이션에 통합될 수 있도록 더 큰 규모로 시스템을 구축하고 있다.
(Nature Energy, 2023; doi: 10.1038/s41560-023-01195-x)
출처: University of Adelaide
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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