바닷물에서 수소 생산

지구 물의 95% 이상을 차지하는 바닷물은 KAUST가 이끄는 팀이 개발한 물 분해 촉매를 사용하여 깨끗한 수소 연료의 지속 가능한 생산에 핵심 자원이 될 수 있습니다.

물 분해는 특히 태양광 및 풍력과 같은 재생 에너지원과 결합될 때 탄소 중립을 위한 매력적인 방법을 제공할 수 있습니다. 물 분해는 전기화학 전지에서 물이 분해되어 음극에서 수소를 생성하는 동시에 인가 전압 하에서 양극에서 산소를 생성하는 것과 관련됩니다. 그러나 담수에서 잘 작동하는 수소 및 산소 발생 촉매는 원치 않는 반응을 촉진하고 촉매를 독살시킬 수 있는 풍부한 이온 때문에 해수에서는 덜 효과적입니다.

해수에 존재하는 부식성이 강한 염화물 이온은 산소 발생과 경쟁하고 차아염소산염과 같은 유해 화합물을 생성하는 복잡한 반응을 겪습니다. 수소 생산은 두 전극 모두의 안정적이고 효율적인 반응에 달려 있기 때문에 이러한 이온은 해수 분해의 주요 과제입니다.

화학자들은 차아염소산염 형성이 산소 발생 반응보다 산업적 요구를 충족시키기 위해 더 낮은 작동 전압을 요구하기 때문에 발생할 수 있다고 설명합니다.

이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 더 낮은 전압 요구 사항을 갖춘 선택적 양극 촉매를 설계하는 것입니다. 니켈-이리듐 단층 양극 촉매는 금속 성분 간의 시너지 효과 덕분에 해수에서 향상된 성능과 안정성을 보여주었습니다.

팀은 해수 분해를 위한 고효율 및 안정적인 수소 발생 전기촉매를 제공하는 접근 방식을 고안했습니다. 연구진은 촉매가 몰리브덴 황화물 보호 껍질에 싸여 있는 작은 입방체 반응기를 만들었습니다. 촉매 코어는 탄소 지지 몰리브덴 기반 산화환원 활성 화합물로 구성되었으며 제올라이트와 같은 정렬된 나노다공성 구조를 특징으로 합니다.
연구진은 금속 유기 골격 기반 접근 방식을 사용하여 계면활성제가 있는 상태에서 금속 착물 전구체와 링커 이미다졸을 결합하여 제올라이트와 유사한 아연-몰리브덴 입방체를 생성했습니다. 그들은 생성된 구조를 환류하에 에탄올에 있는 티오아세트아미드와 혼합하여 얇은 황화아연 껍질에 갇혀 있는 입방체 몰리브덴 산화물 상을 형성했습니다.

다음으로, 연구진은 황화아연 외부층을 선택적으로 에칭하기 전에 고온에서 입방체 상을 원하는 황화몰리브덴 캡슐화 산화환원 활성 화합물로 화학적으로 변환하여 나노반응기를 생성했습니다.

나노반응기는 담수와 해수 모두에서 높은 전기촉매 활성과 안정성을 나타냈습니다. "뛰어난 활동성과 안정성은 독특한 구조에 기인합니다."

코어는 수소 생산을 촉진하는 수많은 활성 사이트를 표시했으며 껍질은 층 내에 몇 가지 결함, 특히 물 분자가 내부 활성 사이트에 침투하고 접근할 수 있는 나노미터 이하 크기의 구멍을 나타냈습니다.

체인 메일 역할을 하는 쉘은 또한 활성 사이트에 소금이 쌓이는 것을 차단하고 방지했습니다.
나노반응기의 계층적 구조는 부반응으로부터 전기분해를 분리합니다. "스마트 하우스와 유사하게 주요 반응은 방에서 일어나고 뒷마당에서는 부반응이 발생합니다."

믿거나 말거나, 바닷물은 훌륭한 연료 기반이 됩니다. 바닷물에는 수소, 산소, 나트륨 등 지구상 생명체가 번성하는 데 필수적인 요소들의 혼합물이 포함되어 있기 때문입니다. 여기서 연료 부분은 바닷물에서 발견되는 수소에서 나옵니다. 불행하게도 나머지 원소에서 수소 가스를 추출하는 것은 적어도 지금까지는 상당히 어려운 일이었습니다.

이 장치는 이중막 여과 시스템을 통해 해수를 구동하는 깔때기 시스템에 해수를 주입하여 해수 연료와 동일한 것을 만듭니다. 이 시스템은 또한 전기를 사용하여 바닷물에서 수소를 성공적으로 끌어와 바다에서 발견되는 다른 요소로부터 수소를 효과적으로 분리합니다. 이 새로운 연구 결과는 저탄소 연료 생산을 위한 새로운 노력을 진전시키는 데 도움이 될 수 있음을 보여줍니다.

여기서 가장 큰 승리는 시스템이 다른 시스템에서 볼 수 있었던 유해한 부산물을 많이 생성하지 않았다는 것입니다. 현재의 대부분의 물-수소 시스템은 단층 막을 사용합니다. 그러나 이번에 연구진은 두 개의 층을 함께 가져왔고 실험 내에서 바닷물의 이온이 이동하는 방식을 제어하는 ​​더 나은 방법을 보여주어 더욱 효과적이었습니다.

해수를 사용하여 수소 연료를 만들 수 있다는 것은 현재 연료 전지 전기 자동차를 운행하는 데 사용되는 저탄소 연료이고 심지어 에너지 그리드의 장기 저장 옵션으로도 작동하기 때문에 유용하다는 것이 입증될 것입니다. 수소 가스를 만들려는 이전 시도에는 담수 또는 담수화된 물이 필요했으며, 성공적인 물 담수화 시스템을 보았지만 훨씬 더 비싸고 에너지 집약적입니다.
물을 사용하기 전에 정화하려면 값비싼 시스템과 에너지가 필요하고 심지어 장치가 더 복잡해지는 반면, 바닷물을 사용하여 수소 연료를 생성할 수 있는 장치에는 그러한 추가 부품이 필요하지 않기 때문입니다.

바닷물에서 수소를 생산하는 것은 꿈이 현실이 된 것 같습니다!
풍부하고 무료이며 쉽습니다.
바닷물은 거의 무한한 원자재 공급원이지만 여기에는 송장을 발행할 사람이 없습니다. 누구나 한 통 가득 무료로 얻을 수 있습니다.
업계 주요 업체들은 이 아이디어에 반하게 될 것입니다.
수소를 추출하는 과정은 쉽습니다. 바닷물에는 다량의 용존수소가스가 포함되어 있습니다. 이를 추출하려면 간단한 전기분해가 필요합니다. 우리는 물리학 수업을 듣던 십대 시절에도 그렇게 했습니다!

작동 방식은 다음과 같습니다.
자연스럽고 저장이 가능하며 안전합니다.
바닷물은 화석 에너지에 대한 의존도를 줄이는 데 도움이 될 수 있는 재생 가능 에너지원으로 간주됩니다. 그리고 추출 과정에서 탄소 배출이 발생하지 않습니다.

수소를 저장할 수 있다
저장된 수소는 필요할 때 정확히 전기를 생성하거나 차량에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있습니다.
비가 오거나 바람이 없는 날 등 다른 재생 가능 에너지의 간헐적인 사용을 보완합니다. 이는 대규모 해수에 접근할 수 있지만 기존 에너지 자원이 거의 없는 지역에 적합합니다.
이는 지구 온난화를 줄이고 에너지 안보를 보장하며 환경을 보호하는 데 도움이 될 수 있습니다.

정말 쉬워요
이 공정은 에너지 집약적입니다. 바닷물에서 수소를 추출하려면 많은 양의 에너지가 필요하며 전체적인 효율성은 상당히 낮습니다.
생산 비용이 많이 듭니다. 인프라를 구축하려면 매우 높은 초기 투자가 필요합니다. 바닷물의 염분 함량은 부식 및 기타 기술적 문제를 일으킬 수 있으므로 유지 관리도 중요합니다.
위치는 매우 드뭅니다. 이러한 위치는 수심과 수질은 물론 에너지원과의 근접성을 고려해야 합니다. 모든 지역이 바닷물을 이용한 수소 생산에 적합한 것은 아닙니다!
그리고 마지막으로, 그것은 당신이 생각하는 것만큼 안전하지 않습니다!

이 공정에서는 염소 가스가 배출됩니다.
이 가스는 다른 자연 요소와 결합하여 물을 오염시키고 물고기를 오염시키며 인간과 물고기를 먹는 더 큰 동물에게 전달되는 다이옥신을 형성합니다.

몇 가지 예를 원하시나요?
Water =>염산, 모든 형태의 생명체에 대한 급성 독성 영향.
Hydrogen =>염화수소 가스, 폭발성이 높은 화합물
아세틸렌은 박테리아 및 특정 종의 조류와 같은 일부 해양 유기체에 의해 생성될 수 있는 가스입니다. 이는 폭발성이 높은 화합물인 디클로로에탄으로 결합됩니다.

에테르는 특정 조류 종에 미량 존재합니다. 이는 독성이 강한 발암성 화합물인 클로로아세트알데히드와 결합됩니다.
암모니아는 일반적으로 해양 생물에 의해 생성됩니다. 이는 매우 독성이 강한 호흡기 자극제인 클로라민과 결합됩니다.
청정 에너지 부문에 혁명을 일으킬 가능성이 있는 유망한 혁신
바닷물에서 수소를 생산하면 획기적인 변화를 가져올 수 있으며 보다 지속 가능한 방식으로 지구 온난화를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.
또한 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고 더 깨끗하고 지속 가능하며 저렴한 미래를 향해 나아갈 수 있는 잠재력도 있습니다.
이러한 약속으로 인해 관련된 많은 과제와 위험을 간과하기가 너무 쉽습니다.
이것은 경제 및 에너지 핵심 플레이어들에게 제가 간청하는 것입니다. 잠시 심호흡을 하시고 편안히 앉아 생각해 보시기 바랍니다.

연구원들은 보도 자료에서 물을 정화하는 것은 비용이 많이 들고 에너지 집약적이며 장치에 복잡성을 더하기 때문에 바닷물을 사용하여 작업하는 것이 더 경제적인 선택이 될 것이라고 말했습니다. 더욱이 천연 담수에는 지구상의 제한된 자원일 뿐만 아니라 현대 기술에 문제가 되는 불순물이 포함되어 있습니다.
연구팀은 해수-수소 막 시스템 개발 외에도 이 연구가 해수 이온이 막을 통해 이동하는 방식에 대한 전반적인 이해를 향상시켰다고 지적했습니다. 이 지식은 산소 가스 생산과 같은 다른 분야에도 적용될 수 있습니다.
또한, 전기분해를 통해 산소를 생성하려는 노력에는 양극성 막 시스템의 이온 흐름과 전환에 대한 이해가 필수적이라고 밝혔으며, 연구팀은 실험을 통해 양극성 막이 수소 생성과 함께 산소기체도 생성할 수 있음을 보여주었다.
연구팀은 보다 쉽게 ​​이용 가능하고 쉽게 추출할 수 있는 재료를 사용하여 전극과 멤브레인을 개선하는 것을 목표로 합니다. 이러한 설계 개선으로 운송과 같은 에너지 집약적 활동을 위해 수소를 생성하는 데 필요한 크기로 전기분해 시스템을 훨씬 더 간단하게 확장할 수 있습니다.

제품은 중국 전역에서 판매되며 전 세계 국가로 수출됩니다. 미국, 독일, 모로코, 케냐, 사우디아라비아, 베트남, 알제리, 인도, 탄자니아, 대만 등 20개 이상의 국가와 지역에서 판매되었습니다. China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group 및 기타 유명 기업과 같은 유명 기업에 성공적으로 서비스를 제공했습니다. Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming 등 많은 녹색 수소 수소 수소화 스테이션이 녹색 및 수소 제조 프로젝트를 제공합니다.