바닷물을 연료로 바꿀 수 있는 새로운 혁신 시스템

[이매진]

바닷물을 연료로 바꿀 수 있는 새로운 혁신 시스템

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New Innovative System Can Turn Seawater Into Fuel

주제:암사슴연료바닷물SLAC 국립 가속기 연구소스탠포드 대학교오레곤 대학교

작성자: SLAC 국립 가속기 연구소 2023년 5월 30일

해수를 수소 가스로 전환하는 팀의 양극성 막 시스템의 표현. 출처: Nina Fujikawa/SLAC 국립 가속기 연구소

수소, 산소, 나트륨 등을 포함한 바닷물의 원소 칵테일은 지구상의 생명체에 필수적입니다. 그러나 이 복잡한 화학적 구성은 지속 가능한 에너지 응용을 위해 수소 가스를 분리하려고 시도할 때 문제를 제기합니다.

최근 에너지부의 SLAC 국립 가속기 연구소 , 스탠포드 대학교 , 오레곤 대학교 , 맨체스터 메트로폴리탄 대학교 의 과학자 팀이 바다에서 수소를 추출하는 방법을 발견했습니다. 그들은 이중 막 시스템과 전기를 통해 해수를 퍼널링함으로써 이를 달성합니다.

그들의 혁신적인 디자인은 많은 양의 유해한 부산물을 생성하지 않고 수소 가스를 생성하는 데 성공했습니다. 최근 Joule 저널에 발표된 그들의 연구 결과는 저탄소 연료 생산을 위한 노력을 발전시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

“오늘날 많은 물-수소 시스템은 단층 또는 단층 멤브레인을 사용하려고 합니다. SLAC-스탠포드 합동 연구소인 인터페이스 과학 및 촉매를 위한 SUNCAT 센터의 부교수인 아담 닐랜더(Adam Nielander)는 말했습니다. "이 막 구조는 실험에서 바닷물의 이온 이동 방식을 제어할 수 있게 해주었습니다."

수소 가스는 현재 연료 전지 전기 자동차를 운행하는 것과 같은 여러 가지 방법으로 사용되는 저탄소 연료이며 전기를 위해 몇 주, 몇 달 또는 그 이상 에너지를 저장하는 데 적합한 장기 에너지 저장 옵션으로 사용됩니다. 그리드.

수소 가스를 만들기 위한 많은 시도는 담수 또는 탈염수로 시작하지만 이러한 방법은 비용이 많이 들고 에너지 집약적일 수 있습니다. 처리된 물은 떠다니는 화학 성분이나 분자가 적기 때문에 작업하기가 더 쉽습니다. 그러나 물을 정화하는 것은 비싸고 에너지가 필요하며 장치에 복잡성을 더한다고 연구원들은 말했습니다. 또 다른 옵션인 천연 담수에는 지구상에서 더 제한된 자원일 뿐만 아니라 현대 기술에 문제가 되는 많은 불순물이 포함되어 있다고 그들은 말했습니다.

바닷물을 사용하기 위해 팀은 양극성 또는 2층 멤브레인 시스템을 구현하고 원하는 반응을 실행하기 위해 전기를 사용하여 이온 또는 하전된 요소를 구동하는 방법인 전기분해를 사용하여 테스트했습니다. 그들은 해수 시스템에 가장 해로운 요소인 염화물을 제어함으로써 설계를 시작했다고 SLAC 및 스탠포드 박사후 연구원인 Joseph Perryman은 말했습니다.

Perryman은 "해수에는 물과 수소의 반응을 방해할 수 있는 많은 반응성 종이 있으며 바닷물을 짠맛으로 만드는 염화나트륨이 주요 원인 중 하나입니다."라고 말했습니다. "특히, 양극에 도달하여 산화되는 염화물은 전기 분해 시스템의 수명을 단축하고 분자 염소 및 표백제를 포함하는 산화 생성물의 독성 특성으로 인해 실제로 안전하지 않게 될 수 있습니다."

실험에서 양극성 막은 수소 가스를 만드는 데 필요한 조건에 접근할 수 있게 하고 염화물이 반응 센터에 도달하는 것을 완화합니다.

Perryman은 "우리는 본질적으로 이 염화물 반응을 중지하는 방법을 두 배로 늘리고 있습니다."라고 말했습니다.

수소를 위한 집

이상적인 멤브레인 시스템은 세 가지 기본 기능을 수행합니다. 해수에서 수소 및 산소 가스를 분리합니다. 다른 해수 이온을 제한하면서 유용한 수소 및 수산화물 이온만 이동하도록 도와줍니다. 원치 않는 반응을 방지하는 데 도움이 됩니다. 이 세 가지를 모두 함께 포착하는 것은 어려우며 팀의 연구 목표는 이러한 세 가지 요구 사항을 모두 효율적으로 결합할 수 있는 시스템을 탐색하는 것입니다.

구체적으로 그들의 실험에서 양성자(양성 수소 이온)는 멤브레인 층 중 하나를 통과하여 음전하를 띤 전극과 상호 작용하여 수집되고 수소 가스로 전환될 수 있는 곳으로 이동합니다. 시스템의 두 번째 멤브레인은 염화물과 같은 음이온만 통과할 수 있습니다.

스탠포드 졸업생인 다니엘라 마린(Daniela Marin)은 또 하나의 막 층에는 막에 고정된 음전하 그룹이 포함되어 있어 염화물과 같은 다른 음전하 이온이 있어서는 안 되는 곳으로 이동하는 것을 더 어렵게 한다고 말했습니다. 화학 공학 학생 및 공동 저자. 음으로 하전된 멤브레인은 팀의 실험에서 거의 모든 염화물 이온을 차단하는 데 매우 효율적인 것으로 입증되었으며 시스템은 표백제 및 염소와 같은 독성 부산물을 생성하지 않고 작동했습니다.

해수-수소 멤브레인 시스템 설계와 함께 이 연구는 해수 이온이 멤브레인을 통해 어떻게 이동하는지에 대한 더 나은 일반적인 이해를 제공한다고 연구원들은 말했습니다. 이 지식은 과학자들이 산소 가스 생성과 같은 다른 응용 분야를 위해 더 강력한 멤브레인을 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"산소를 생산하기 위해 전기분해를 사용하는 데도 약간의 관심이 있습니다."라고 Marin은 말했습니다. “우리의 양극성 막 시스템에서 이온 흐름과 전환을 이해하는 것도 이러한 노력에 매우 중요합니다. 실험에서 수소를 생산하는 것과 함께 우리는 양극성 막을 사용하여 산소 가스를 발생시키는 방법도 보여주었습니다.”

다음으로 팀은 더 풍부하고 쉽게 채굴할 수 있는 재료로 제작하여 전극과 멤브레인을 개선할 계획입니다. 이 설계 개선으로 운송 부문과 같이 에너지 집약적인 활동을 위해 수소를 생성하는 데 필요한 크기로 전기분해 시스템을 쉽게 확장할 수 있다고 팀은 말했습니다.

연구원들은 또한 전기분해 셀을 SLAC의 SSRL(Stanford Synchrotron Radiation Lightsource)로 가져가 시설의 강렬한 X선을 사용하여 촉매 및 멤브레인의 원자 구조를 연구할 수 있기를 희망합니다.

SLAC 및 Stanford의 교수이자 SUNCAT의 책임자인 Thomas Jaramillo는 "녹색 수소 기술의 미래는 밝습니다."라고 말했습니다. "우리가 얻고 있는 근본적인 통찰력은 이 기술의 향상된 성능, 내구성 및 확장성에 대한 미래의 혁신을 알리는 데 핵심입니다."

참조: Daniela H. Marin, Joseph T. Perryman, McKenzie A. Hubert, Grace A. Lindquist, Lihaokun Chen, Ashton M. Aleman, Gaurav A. Kamat, Valerie A. Niemann, Michaela Burke Stevens, Yagya N. Regmi, Shannon W. Boettcher, Adam C. Nielander 및 Thomas F. Jaramillo, 2023년 4월 11일, Joule .
DOI: 10.1016/j.joule.2023.03.005

이 프로젝트는 US Office of Naval Research에서 지원합니다. Stanford Doerr 지속 가능성 가속기 학교; SLAC-Stanford 합동 연구소인 인터페이스 과학 및 촉매를 위한 SUNCAT 센터를 통한 DOE의 기본 에너지 과학, 화학 과학, 지구 과학 및 생명 과학 부서 사무소; DOE의 에너지 효율 및 재생 에너지 연료 전지 기술 사무소.