바닷물에서 수소연료를 생산하는 새로운 방법

물을 수소와 산소로 분리하는 것은 화석연료의 대안이지만, 정제수는 귀중한 자원입니다. 스탠포드가 이끄는 팀은 이제 지구에서 가장 풍부한 자원인 바닷물을 화학 에너지로 활용하는 방법을 개발했습니다.

스탠포드 연구진은 태양광 발전, 전극, 샌프란시스코 만의 바닷물을 사용하여 수소 연료를 생성하는 방법을 고안했습니다.

홍지에 다이(Hongjie Dai)와 스탠포드 대학의 그의 연구실은 바닷물에서 수소 연료를 생성할 수 있는 프로토타입을 개발했습니다. (이미지 출처: H. Dai, Yun Kuang, Michael Kenney 제공)

3월 18일 미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 발표된 이번 연구 결과는 전기를 통해 해수에서 수소와 산소 가스를 분리하는 새로운 방법을 보여줍니다. 기존의 물 분해 방법은 귀중한 자원이자 생산 비용이 많이 드는 고도로 정제된 물에 의존합니다.

이론적으로 도시와 자동차에 전력을 공급하려면 “정제된 물을 사용하는 것은 상상할 수 없을 만큼 많은 수소가 필요합니다”라고 스탠포드 인문과학대학 화학과 JG Jackson 교수이자 CJ Wood 교수이자 이번 연구의 공동 저자인 Hongjie Dai는 말했습니다. 종이. “캘리포니아에는 현재 필요한 만큼의 물이 거의 없습니다.”

수소는 이산화탄소를 배출하지 않기 때문에 매력적인 연료 옵션이라고 Dai는 말했습니다. 수소를 태우면 물만 생산되며 악화되는 기후 변화 문제를 완화할 수 있습니다.

Dai는 자신의 연구실에서 데모를 통해 개념 증명을 보여주었지만 설계 규모를 확대하고 대량 생산하는 것은 제조업체에 맡길 것이라고 말했습니다.

개념적으로, 전기를 사용해 물을 수소와 산소로 분리하는 것(전기분해라고 함)은 간단하고 오래된 아이디어입니다. 전원은 물에 배치된 두 개의 전극에 연결됩니다. 전원이 켜지면 수소 가스가 음극(음극)이라고 불리는 음극 끝에서 거품이 생기고 호흡 가능한 산소가 양극(양극)에서 나옵니다.

그러나 바닷물 소금에 있는 음전하를 띤 염화물은 양극 끝을 부식시켜 시스템 수명을 제한할 수 있습니다. Dai와 그의 팀은 바닷물에 잠겨 있는 양극이 분해되는 것을 막는 방법을 찾고 싶었습니다.

연구자들은 음전하가 풍부한 층으로 양극을 코팅하면 그 층이 염화물을 밀어내고 밑에 있는 금속의 붕괴를 늦추는 것을 발견했습니다.

그들은 니켈 폼 코어를 덮고 있는 황화니켈 위에 수산화니켈-철을 적층했습니다. 니켈 폼은 전도체 역할을 하여 전원에서 전기를 전달하고, 니켈-철 수산화물은 전기분해를 일으켜 물을 산소와 수소로 분리합니다. 전기분해 중에 황화니켈은 ​​양극을 보호하는 음전하 층으로 발전합니다. 두 자석의 음극 끝이 서로 밀어내는 것처럼, 음극으로 하전된 층은 염화물을 밀어내고 염화물이 코어 금속에 도달하는 것을 방지합니다.

Dai 연구실의 대학원생이자 논문 공동 저자인 Michael Kenney에 따르면 음전하 코팅이 없으면 양극은 바닷물에서 약 12시간 동안만 작동합니다. Kenney는 "전극 전체가 부서져 부서진다"고 말했습니다. "하지만 이 레이어를 사용하면 1,000시간 이상 사용할 수 있습니다."

해수를 분리하여 수소 연료를 만들려는 이전 연구에서는 더 높은 전류에서 부식이 발생하기 때문에 적은 양의 전류를 사용했습니다. 그러나 Dai, Kenney 및 동료들은 다층 장치를 통해 최대 10배 더 많은 전기를 전도할 수 있었으며, 이는 더 빠른 속도로 바닷물에서 수소를 생성하는 데 도움이 됩니다.

“내 생각엔 우리가 해류에서 바닷물을 가르는 기록을 세웠다고 생각합니다.” Dai가 말했습니다.

팀원들은 시스템에 유입되는 전기량을 조절할 수 있는 통제된 실험실 조건에서 대부분의 테스트를 수행했습니다. 그러나 그들은 또한 샌프란시스코 만에서 수집한 바닷물로부터 수소와 산소 가스를 생산하는 태양열 구동 시연 기계를 설계했습니다.

그리고 염분으로 인한 부식 위험이 없는 이 장치는 정제수를 사용하는 현재 기술과 일치합니다. Kenney는 “이 연구에서 인상적인 점은 오늘날 산업에서 사용되는 것과 동일한 전류에서 작동할 수 있다는 것입니다.”라고 말했습니다.