중국 연구진, 바닷물을 직접 분리해 수소 생산하는 장치 개발

Dec 12, 2023

페트말/iStock

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중국 연구팀이 짠 바닷물을 분리해 직접 수소를 생산하는 장치를 개발했다. 멤브레인 기반 해수 전해조인 이 장치는 기존 방법의 부반응 및 부식 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다.

중국 난징공과대학 화학공학과 교수 종핑 샤오(Zongping Shao)가 이끄는 팀은 네이처(Nature) 저널에 자신들의 연구 결과를 발표하고 자신들의 모델이 "실제 적용 조건에서 실패 없이 3,200시간 이상 작동했다"고 주장했습니다.

오늘날 생산되는 대부분의 수소는 탄소 발자국을 크게 늘릴 수 있는 화석 연료원에서 나옵니다. "재생 에너지를 투입물로 사용하는 전기화학적 식염수 전기분해는 녹색 수소의 대량 생산을 위한 매우 바람직하고 지속 가능한 방법입니다."라고 발표했습니다.

그러나 문제가 있습니다. 소금물의 특성으로 인해 다양한 시스템에 사용되는 전극이 부식되어 종종 사용할 수 없게 됩니다. 염화물 이온이나 고도로 선택적인 전기촉매에 의한 부식을 방지하기 위해 다중음이온 코팅을 사용하는 것은 실제 적용에 충분한 도움이 되지 않았습니다.

담수화 공정으로 문제를 해결할 수 있지만 "추가 에너지 투입이 필요하므로 경제적 매력이 떨어집니다." 담수화 공정과 관련된 장비의 크기로 인해 이러한 솔루션의 유연성도 떨어집니다.

전해조는 일반적으로 촉매로 코팅된 두 개의 전극으로 구성되며, 멤브레인은 구성 성분인 수소와 산소를 분리합니다. 공정에서 부식성이 높은 염소 가스가 형성되면 촉매와 전극이 더 빨리 분해됩니다. 바닷물의 마그네슘과 칼슘 이온도 막을 막을 수 있습니다. 이러한 요인은 해당 장치의 전반적인 효율성과 수명을 감소시킵니다.

Shao는 IEEE Spectrum에 "우리의 전략은 운영 비용을 크게 늘리지 않고도 담수 분할과 유사한 방식으로 효율적이고 크기가 유연하며 확장 가능한 직접 해수 전기분해를 실현합니다"라고 말했습니다.

연구팀은 농축된 수산화칼륨 전해질 용액을 사용하여 전극을 담그고 다공성 멤브레인은 전해질 용액과 해수를 분리하는 데 도움을 줍니다. 불소가 풍부한 막은 액체 물을 차단하지만 수증기는 통과시킵니다.

전기 분해 중에 전해질 용액의 물이 구성 성분으로 침출됩니다. 이로 인해 전해질과 해수 사이의 압력 변화가 발생하여 해수가 증발하게 됩니다. 동시에, 물은 막을 통과하여 전해질로 들어가고 다시 액체 물로 바뀌어 다음 주기를 위해 스톡을 보충합니다.

"중요하게도, 이 구성과 메커니즘은 한 단계에서 수성 배출수 처리와 자원 회수 및 수소 생성을 동시에 수행하는 데 추가 적용을 약속합니다."

연구원들은 그들의 장치가 수소 생산과 함께 바닷물에서 리튬을 회수할 수도 있을 것이라고 확신합니다. 장치의 추가 적용은 산업 담수 청소와 같은 활동으로 확장됩니다.

추상적인

재생 에너지를 투입물로 사용하는 전기화학적 식염수 전기분해는 녹색 수소의 대량 생산을 위해 매우 바람직하고 지속 가능한 방법입니다. 그러나 전극 부반응과 해수의 복잡한 성분으로 인해 발생하는 부식 문제로 인해 내구성이 부족하여 실용성이 심각하게 어려움을 겪고 있습니다. 염화물 이온에 의한 부식을 억제하기 위해 폴리음이온 코팅을 사용하거나 고도로 선택적인 전기촉매를 생성하는 촉매 엔지니어링이 광범위하게 활용되어 적당한 성공을 거두었지만 실제 적용에는 여전히 만족스럽지 않습니다. 선담수화 공정을 이용한 간접 해수분해는 부반응 및 부식 문제를 피할 수 있지만 추가적인 에너지 투입이 필요해 경제적 매력이 떨어진다. 또한, 독립적인 부피가 큰 담수화 시스템은 해수 전기분해 시스템의 크기 측면에서 유연성을 떨어뜨립니다. 여기서 우리는 부반응과 부식 문제를 근본적으로 해결하는 수소 생산을 위한 직접 해수 전기분해 방법을 제안합니다. 데모 시스템은 실제 적용 조건에서 3,200시간 이상 제곱센티미터당 250밀리암페어의 전류 밀도로 고장 없이 안정적으로 작동되었습니다. 이 전략은 운영 비용을 크게 증가시키지 않으면서 담수 분할과 유사한 방식으로 효율적이고 크기가 유연하며 확장 가능한 직접 해수 전기분해를 실현하며 실제 적용 가능성이 높습니다. 중요한 것은 이 구성과 메커니즘이 한 단계로 수성 배출수 처리와 자원 회수 및 수소 생성을 동시에 수행하는 추가 응용을 약속한다는 것입니다.