바닷물 수소

과학자들이 담수화와 같은 전처리 공정 없이 바닷물에서 직접 녹색수소를 생산할 수 있는 시스템을 개발했습니다. 전이금속 산화물 촉매에 루이스산 층을 도입하는 것과 관련된 개발팀은 이 방법이 상업적 응용 가능성이 높다고 말했습니다.

지구 표면에 있는 물의 97% 이상이 바다의 염수이고, 2%는 만년설, 빙하, 눈 덮인 산맥에 담수로 저장되어 있으며, 단 1%만이 우리가 매일 필요한 물 공급에 사용할 수 있습니다.

 
식염수는 담수화라는 공정을 통해 식수로 만들 수 있습니다. 이 기술은 전 세계 일부 지역에서 사람이 소비하고 가정용 및 산업용으로 사용할 담수를 생산하는 데 사용됩니다. 그러나 담수화는 에너지를 많이 소모하는 과정이며, 더욱 심각한 것은 지속 불가능한 에너지원에 의해 구동되는 경우가 많습니다.

물을 구성 부분으로 나누는 것도 잘 알려져 있습니다. 전기분해라고 알려진 이 공정은 전해질에 담긴 두 전극 사이의 직류를 사용하여 물을 수소와 산소로 분리합니다. 수소는 음극(음극)에서 형성되고, 산소는 양극(양극)에서 형성됩니다.

혼합된 가스는 폭발할 수 있기 때문에 대부분의 전해조는 두꺼운 다공성 플라스틱 시트로 양극과 음극을 분리하고 반응 속도를 높이기 위해 니켈, 철과 같은 금속 촉매를 사용합니다.

이 두 가지 과정, 즉 해수를 담수화한 다음 이를 분리하여 수소를 생성하는 것은 오랫동안 깨끗하고 저렴한 에너지 연료를 제공하는 최고의 솔루션 중 하나로 환영받아 왔습니다. 이는 도시의 전기부터 생산에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급할 수 있습니다. 철강, 비료 생산, 비행기 연료 등 잠재적인 용도는 무궁무진합니다.

그러나 우리가 아직 세계일주 비행에 수소 연료를 사용하지 않는 이유 중 하나는 바닷물과 기타 불순물이 전극을 부식시켜 수명을 단축시키기 때문입니다. 이러한 부품은 일반적으로 백금과 같은 희귀 금속으로 만들어지기 때문에 계속 교체하려면 비용이 너무 많이 듭니다. 해수의 염화물 이온도 문제이며 염소 전기 산화 반응(ClOR)은 전기 분해 중 양극에서 산소 발생 반응(OER)과 경쟁합니다. 이 반응으로 인해 차아염소산염과 같은 독성 및 부식성 염소가 방출됩니다. 차아염소산염은 상대적으로 불안정하여 암모니아나 산과 혼합되면 유독한 염소 가스를 방출할 수 있으며 스테인레스 스틸을 부식시킬 수도 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 바닷물을 처리하기 전에 담수화하고 정화할 수 있지만, 이 방법도 항상 재정적으로 실행 가능한 것은 아닙니다. 또 다른 옵션은 부식을 억제하기 위해 전극을 폴리음이온으로 코팅하는 것이지만 이 역시 비용이 많이 들 수 있습니다.

단점이 없는 기후 솔루션은 거의 없습니다. 물 분자를 분해하기 위해 재생 에너지를 사용하여 만들어진 "그린" 수소는 이산화탄소 냄새를 배출하지 않고 무거운 차량에 전력을 공급하고 철강 제조와 같은 산업을 탈탄소화할 수 있습니다. 그러나 물 분해 기계 또는 전해조는 순수한 물을 사용하도록 설계되었기 때문에 녹색 수소의 규모를 확대하면 전 세계적으로 담수 부족이 악화될 수 있습니다. 이제 여러 연구팀이 해수에서 직접 수소를 생산하는 기술이 발전했다고 보고하고 있으며, 이는 무궁무진한 녹색 수소 공급원이 될 수 있습니다.

오늘날 거의 모든 수소는 메탄을 분해하고 화석 연료를 연소하여 필요한 열과 압력을 생성함으로써 만들어집니다. 두 단계 모두 이산화탄소를 방출합니다. 녹색 수소는 이 더러운 수소를 대체할 수 있지만 현재 비용은 두 배 이상(kg당 약 5달러)입니다. 이는 부분적으로 귀금속으로 만든 촉매에 의존하는 전해조의 높은 비용 때문입니다. 미국 에너지부는 최근 전해조를 개선하고 녹색 수소 비용을 킬로그램당 1달러로 낮추기 위한 10년 간의 노력을 시작했습니다.

만약 성공하고 녹색 수소 생산이 급증한다면 세계의 담수 공급에 압박이 가해질 수 있습니다. 전기분해를 이용해 1kg의 수소를 생산하려면 약 10kg의 물이 필요합니다. 국제재생에너지기구(International Renewable Energy Agency)에 따르면 녹색 수소로 트럭과 주요 산업을 운영하려면 연간 약 250억 입방미터의 담수가 필요할 수 있으며 이는 인구 6,200만 명 국가의 물 소비량에 해당합니다.

바닷물은 거의 무한하지만, 그것을 쪼개는 것에는 그 자체의 문제가 따릅니다. 전해조는 배터리와 매우 유사하게 제작되었으며, 한 쌍의 전극이 수분 전해질로 둘러싸여 있습니다. 한 가지 설계에서는 음극의 촉매가 물 분자를 수소(H+) 이온과 수산기(OH-) 이온으로 분리합니다. 음극의 과도한 전자는 수소 이온 쌍을 수소 가스(H2)로 연결하여 물 밖으로 거품을 냅니다. 한편 OH- 이온은 전극 사이의 막을 통과하여 양극에 도달하고, 양극에서 촉매가 산소를 산소 가스(O2)로 결합하여 방출됩니다.

그러나 바닷물을 사용하는 경우 양극에서 O2를 생성하는 동일한 전기 충격이 바닷물의 염화물 이온을 부식성이 강한 염소 가스로 변환하여 전극과 촉매를 부식시킵니다. 이는 일반적으로 몇 년 동안 정상적으로 작동할 수 있는 전해조가 단 몇 시간 만에 고장나는 원인이 됩니다.

수소는 비료를 포함한 많은 제품 생산에 사용되는 다용도 화학물질입니다. 수소는 또한 태양광 및 풍력과 같은 재생 가능하지만 간헐적인 에너지원으로 생산된 전기를 활용하는 연료 전지 기술의 핵심 구성 요소입니다. 전 세계적으로 생산되는 대부분의 수소는 메탄이 열과 증기에 노출되어 수소를 생성하는 과정에서 파생됩니다.

수소는 또한 전기를 사용하여 물 분자를 태양광 및 풍력과 같은 재생 가능한 자원으로 구동되는 수소와 산소로 분리하는 물의 전기 분해를 통해 생산될 수 있습니다. 하지만 문제가 있습니다. 전기분해에는 탈이온화된 매우 깨끗한 물이 필요합니다. 즉, 모든 불순물, 미네랄 및 전기적으로 하전된 입자를 먼저 제거해야 합니다. 기존의 정수 공정에는 고가의 장비가 필요하며 에너지 손실이 발생할 수 있습니다.

존스홉킨스대학교 환경보건공학과 연구진은 펜실베니아 주립대학교와 협력하여 예비 담수화 과정 없이 바닷물을 직접 수소 공급원으로 사용하는 방법을 발견했습니다. 그들의 결과는 환경 과학 및 기술(Environmental Science & Technology)에 게재됩니다.

"우리는 다른 막 유형에서 발생하는 유해한 염소 가스의 생성을 피하면서 물 전해조에서 소금물을 정화하는 데 사용되는 박막 복합막을 사용하여 물을 수소 가스와 산소로 분리할 수 있다는 것을 발견했습니다."
연구에서 Rossi와 동료들은 전기를 사용하여 물을 수소와 산소로 분리하는 장치인 전해조에서 직접 박막 복합 막을 테스트했습니다. 단일 단계로 물 정화와 수소 생산이 이루어집니다. 그들은 물질의 다공성 미세 구조가 작은 양성자와 수산화물 이온만 막을 통과하여 이동하도록 허용하여 바람직하지 않은 반응을 일으킬 수 있는 불순물과 기타 이온을 거부한다는 사실을 발견했습니다. 연구진은 이 새로운 접근법이 고가의 이온 교환막을 초순수 공급물과 함께 사용하는 기존 시스템을 대체할 수 있다고 말합니다.

Rossi는 "저렴한 물 담수화 막은 더 비싼 폴리머 기반 막의 대안이 될 수 있으며 해수와 같은 저등급 수자원에서 수소 생산에 사용될 수 있다"고 말했습니다. "그 결과, 수질 정화가 필요 없는 재생 에너지원으로부터 효율적인 수소 생산 공정이 탄생했습니다."

그는 바닷물은 염도가 높기 때문에 전해조에 사용하기 어렵다고 지적했습니다. 그러나 태양열이나 풍력과 같은 재생 가능한 전기를 생산할 수 있지만 담수 가용성이 낮은 해안 지역과 같은 위치에서는 풍부하고 이용 가능합니다. 이러한 위치에서는 이 과정에서 해수 대신 폐수와 같은 다른 저등급 수자원을 잠재적으로 사용할 수 있습니다.

미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 지원을 받은 팀은 전류를 사용하여 물 분자의 수소와 산소를 분리하는 해수 전해조의 새로운 개념 증명 설계에 정수 기술을 통합했습니다.

환경 엔지니어인 Bruce Logan에 따르면, "해수 분해"를 위한 이 새로운 방법을 사용하면 풍력 및 태양 에너지를 저장 가능하고 휴대 가능한 연료로 쉽게 전환할 수 있습니다.

"수소는 훌륭한 연료이지만 직접 만들어야 합니다"라고 Logan은 말했습니다. "그를 가능하게 하는 유일한 지속 가능한 방법은 재생 가능 에너지를 사용하여 물에서 생산하는 것입니다. 또한 사람들이 다른 용도로 사용하고 싶지 않은 물을 사용해야 합니다. 그것은 바닷물이 될 것입니다. 그래서 수소 생산의 성배입니다. 해안 및 해상 환경에서 발견되는 바닷물과 바람, 태양 에너지를 결합하는 것입니다."

바닷물이 풍부함에도 불구하고 물 분해에는 일반적으로 사용되지 않습니다. 비용이 많이 드는 추가 단계인 전해조에 들어가기 전에 물을 담수화하지 않으면 바닷물의 염화물 이온이 독성 염소 가스로 바뀌어 장비 성능을 저하시키고 환경으로 스며듭니다.

이를 방지하기 위해 연구진은 원래 역삼투압 처리 공정에서 물을 정화하기 위해 개발된 얇은 반투막을 삽입했습니다. 역삼투막은 전해조에 일반적으로 사용되는 이온 교환막을 대체했습니다.
"역삼투압의 기본 개념은 물에 매우 높은 압력을 가하여 막을 통해 밀어내고 염화물 이온을 뒤에 남겨두는 것입니다."라고 Logan은 말했습니다.

에너지 및 환경 과학(Energy & Environmental Science)에 발표된 일련의 실험을 통해 연구원들은 시중에서 판매되는 두 개의 역삼투막과 두 개의 양이온 교환막(시스템에서 모든 양으로 하전된 이온의 이동을 허용하는 이온 교환막 유형)을 테스트했습니다.

청정 에너지는 전 세계 국가의 최우선 과제입니다. 기존 전력이 석탄, 천연가스, 석유와 같은 화석 연료에 의존하는 반면, 청정 에너지는 태양열, 풍력, 지열, 수력, 바이오매스와 같은 다양한 형태로 제공됩니다.

수소 역시 재생 에너지를 위한 선도적인 에너지 저장 옵션이며 높은 수준의 탄소 배출을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
현재 연구에 따르면 물을 산소와 수소로 분리하는 과정인 바닷물 전기분해는 담수 전기분해의 일반적인 과제에 대한 실행 가능한 솔루션인 것으로 나타났습니다. 해수 전기분해를 통해 전 세계 담수 부족 현상을 악화시키지 않으면서 지속 가능한 수소를 생산할 수 있습니다.

미국 에너지부 대체 연료 데이터 센터에 따르면 순수 수소는 깨끗하고 지속 가능하며 재생 가능한 에너지로의 전환을 지원하는 데 큰 가능성을 보여주는 지구상의 풍부한 요소입니다.

수소를 생산한 뒤 연료전지에서 전기를 생산할 수 있고 수증기와 따뜻한 공기만 배출한다. 수소는 온실가스, 질소산화물, 탄화수소 또는 기타 입자상 물질을 방출하지 않으므로 환경에 부정적인 영향을 미치지 않습니다.
수소에는 청정 에너지 경제를 창출하는 데 도움이 되는 다른 이점이 있습니다. 일반적으로 탈탄소화가 어려운 분야에서 최적의 에너지 솔루션입니다. 이는 현대 전력망의 신뢰성과 탄력성을 향상시킵니다. 이는 또한 공중 보건과 환경 상태를 개선할 수 있습니다.

또한 글로벌 산업의 고용 기회 수와 에너지 안보를 늘릴 수 있습니다. 이는 운송 산업의 지속 가능성을 높이고 전기 자동차(EV)로의 전환을 지원하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그리고 이는 수익 증대에 기여하고 세계 경제를 강화할 수 있습니다.

녹색 수소 생산과 관련된 비용을 높이는 한 가지 과제는 전해조에 초순수가 필요하다는 것입니다. 이는 많은 수원이 오염물질로 가득 차 있기 때문에 전통적인 바닷물 전기분해를 어렵게 만듭니다.
EPA는 납, 염소 및 박테리아의 존재로 인해 물에 대한 엄격한 요구 사항을 갖고 있지만 이것이 반드시 모든 물에 오염 물질이 없다는 것을 의미하지는 않습니다.

해수전기분해
해수 전기분해 연구는 19세기 초에 등장했습니다. 과학자들이 수소 생산 분야에서 발전을 이루었지만, 이는 결코 견인력을 얻지 못했으며 실행 가능한 에너지 솔루션이 되지도 못했습니다. 20세기에 수소는 대부분 천연가스에서 추출되어 자동차, 버스, 비행선, 로켓에 동력을 공급하는 데 사용되었습니다.

이 수소를 사용하는 것은 가능했지만 그 생산은 에너지 집약적이었고 기후 변화의 주요 원인 중 하나인 탄소 배출에 기여했습니다. 또한 일부 도시에서는 수소를 생산하고 지역 물 공급에서 폐기물로 인한 오염을 방지하는 수소 연료 전지 기술로 도시 고형 폐기물을 필터링합니다.

다양한 연구자와 과학자들이 이러한 문제를 피하기 위해 해수 전기분해를 사용하는 첨단 기술을 개발하고 있습니다. 이러한 기술이 제대로 작동한다면 담수 자원을 사용하거나 탄소 배출에 기여하지 않고 지속 가능한 수소를 생산할 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.