물에서 깨끗한 연료 추출

Mar 15, 2023

풍부한 청정 에너지 공급이 눈에 띄게 숨어 있습니다. 재생에너지를 이용해 물(H2O)에서 추출할 수 있는 수소입니다. 과학자들은 기후 변화에 대처하기 위한 노력의 일환으로 화석 연료를 대체하기 위해 물에서 깨끗한 수소를 생산하는 저비용 방법을 찾고 있습니다.

수소는 물만 배출하면서 차량에 동력을 공급할 수 있습니다. 수소는 또한 많은 산업 공정, 특히 철강 제조 및 암모니아 생산에서 중요한 화학 물질입니다. 이러한 산업에서는 보다 깨끗한 수소를 사용하는 것이 매우 바람직합니다.

미국 에너지부(DOE) 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)가 이끄는 다중 기관 팀저가형 촉매 개발 물에서 깨끗한 수소를 생산하는 공정입니다. 다른 기여자로는 DOE의 Sandia 국립 연구소, Lawrence Berkeley 국립 연구소, Giner Inc. 등이 있습니다.

Argonne의 수석 화학자인 Di-Jia Liu는 "전기분해라고 불리는 공정은 물에서 수소와 산소를 생산하며 100년 이상 동안 존재해 왔습니다."라고 말했습니다. 그는 또한 시카고 대학의 프리츠커 분자 공학 대학에서 공동 교수직을 맡고 있습니다.

양성자 교환막(PEM) 전해조는 이 공정을 위한 차세대 기술을 대표합니다. 그들은 거의 실온에서 더 높은 효율로 물을 수소와 산소로 분리할 수 있습니다. 감소된 에너지 수요로 인해 태양광 및 풍력과 같이 재생 가능하지만 간헐적인 에너지원을 사용하여 깨끗한 수소를 생산하는 데 이상적인 선택입니다.

이 전해조는 각 전극(음극과 양극)에 대해 별도의 촉매를 사용하여 작동합니다. 캐소드 촉매는 수소를 생성하는 반면, 애노드 촉매는 산소를 생성합니다. 문제는 양극 촉매가 현재 시장 가격이 온스당 약 5,000달러에 달하는 이리듐을 사용한다는 점이다. 이리듐의 공급 부족과 높은 가격은 PEM 전해조의 광범위한 채택에 주요 장벽이 됩니다.

새로운 촉매의 주성분은 코발트인데, 이는 이리듐보다 훨씬 저렴하다. Liu는 "우리는 최소한의 에너지를 소비하면서 높은 처리량으로 수소를 생성하는 PEM 전해조에서 저가형 양극 촉매를 개발하려고 했습니다."라고 말했습니다. "우리 방법으로 제조된 코발트 기반 촉매를 사용하면 전해조에서 깨끗한 수소를 생산하는 데 드는 비용의 주요 병목 현상을 제거할 수 있습니다."

전해조 및 연료 전지의 상용화를 위해 노력하는 선도적인 연구 개발 회사인 Giner Inc.는 산업 작동 조건에서 PEM 전해조 테스트 스테이션을 사용하여 새로운 촉매를 평가했습니다. 성능과 내구성은 경쟁사 촉매를 훨씬 능가합니다.

촉매 성능을 더욱 향상시키는 데 중요한 것은 전해조 작동 조건에서 원자 규모의 반응 메커니즘을 이해하는 것입니다. 팀은 아르곤의 APS(Advanced Photon Source)에서 X선 ​​분석을 사용하여 작동 조건에서 촉매에서 발생하는 중요한 구조 변화를 해독했습니다. 그들은 또한 Sandia Labs와 Argonne의 CNM(Center for Nanoscale Materials)에서 전자 현미경을 사용하여 주요 촉매 특징을 확인했습니다. APS와 CNM은 모두 DOE Office of Science 사용자 시설입니다.

Argonne 재료 과학자인 Jianguo Wen은 “우리는 다양한 준비 단계에서 새로운 촉매 표면의 원자 구조를 이미지화했습니다.

또한 Berkeley Lab의 전산 모델링을 통해 반응 조건에서 촉매의 내구성에 대한 중요한 통찰력이 밝혀졌습니다.

팀의 성과는 1960년대 미국 우주 프로그램의 "Moon Shot"을 모방한 DOE의 수소 에너지 Earthshot 계획에서 한 단계 더 발전한 것입니다. 야심 찬 목표는 녹색 수소 생산 비용을 10년 안에 킬로그램당 1달러로 낮추는 것입니다. 그 비용으로 녹색 수소를 생산하면 국가 경제가 재편될 수 있습니다. 응용 분야에는 전력망, 제조, 운송, 주거용 및 상업용 난방이 포함됩니다.

Liu는 "보다 일반적으로 우리의 결과는 고가의 귀금속으로 만든 촉매를 훨씬 저렴하고 더 풍부한 원소로 대체하는 유망한 경로를 확립했습니다"라고 말했습니다.