바닷물을 분리하면 무한한 녹색수소 공급원이 될 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 세계의 담수 부족이 악화될 수 있습니다. 이제 여러 연구팀이 해수에서 직접 수소를 생산하는 기술이 발전했다고 보고하고 있으며, 이는 무궁무진한 녹색 수소 공급원이 될 수 있습니다.

휴스턴 대학(UH)의 물리학자인 Zhifeng Ren은 "이것이 미래를 위한 방향입니다."라고 말했습니다. 그러나 캘거리 대학의 재료 화학자인 Md Kibria는 현재로서는 더 저렴한 해결책이 있다고 말합니다. 즉, 물이 기존 전해조로 흐르기 전에 염분을 제거할 수 있는 담수화 장치에 해수를 공급하는 것입니다.

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 핵심 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 기포를 일으킵니다. 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 높은 염소 가스로 변환하여 전극과 촉매를 부식시킵니다. 이는 일반적으로 몇 년 동안 정상적으로 작동할 수 있는 전해조가 단 몇 시간 만에 고장나는 원인이 됩니다.

이제 세 그룹이 이러한 부식을 막기 위한 노력을 보고하고 있습니다. 멜버른 RMIT 대학의 재료 과학자인 Nasir Mahmood가 이끄는 연구원들은 Small의 2월 8일자에 황산염 및 인산염과 같은 음전하를 띤 화합물로 전극을 코팅함으로써 음전하를 띤 염화물 이온을 밀어내고 염화물 형성을 방지할 수 있다고 보고했습니다. 염소 가스. RMIT 팀은 극미량의 수소만 생성했지만 최대 2개월 동안 전극의 성능 저하가 거의 없다고 보고했습니다. 그 이후로 미발표 연구에서 연구진은 상업용 담수 전해조만큼 빠르게 수소를 생산할 수 있는 장치를 강화했다고 Mahmood는 말했습니다.

애들레이드 대학의 나노기술자인 Shizhang Qiao와 그의 동료들은 H+ 이온만 투과할 수 있는 막을 사용하는 두 번째 유형의 전해조로 변경했습니다. 이 설정은 음극 대신 양극에서 물 분자를 분리하여 전자를 빼앗아 자유 H+ 이온을 생성합니다. 이온은 막을 통해 음극으로 이동하여 전자와 결합하여 H2를 생성합니다. Qiao와 그의 동료들은 전극을 산화크롬으로 코팅했는데, 이는 염화물 이온을 밀어내는 OH- 이온 기포를 끌어당겼습니다. 이 장치는 성능 저하 없이 고전류에서 100시간 동안 해수를 분해했다고 Nature Energy 1월 30일자에 보고되었습니다. UH 재료 물리학자인 Shou Chen은 "이렇게 영리한 디자인을 보게 되어 매우 기쁩니다."라고 말했습니다.