Argonne, UChicago 과학자들이 낮은 생성

2023년 6월 13일

풍부한 청정 에너지 공급이 눈에 띄게 숨어 있습니다. 수소는 물만 배출하면서 차량에 동력을 공급할 수 있습니다. 이는 또한 많은 산업 공정, 특히 철강 제조 및 암모니아 생산에서 중요한 화학 물질입니다.

기후 변화에 대처하기 위한 노력의 일환으로 과학자들은 화석 연료를 대체하기 위해 물에서 수소를 생산하는 저렴한 방법을 찾고 있습니다. 진정으로 깨끗해지려면 이 과정이 재생 가능 에너지를 사용하여 수행되어야 합니다.

시카고 대학 산하 미국 에너지부 연구소인 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)가 이끄는 여러 기관 팀이 물에서 깨끗한 수소를 생산하는 공정을 위한 저가형 촉매를 개발했습니다.

"우리의 결과는 고가의 귀금속으로 만든 촉매를 훨씬 저렴하고 더 풍부한 원소로 대체하는 유망한 경로를 확립했습니다"라고 프리츠커 학교에서 공동 임명된 Argonne의 선임 화학자이자 연구 저자인 Di-Jia Liu는 말했습니다. 시카고대학교 분자공학 박사.

물을 수소와 산소로 분리하는 과정을 전기분해라고 하며, 이 과정은 100년 이상 지속되어 왔습니다.

초기에는 이 과정을 위한 기술에 많은 에너지가 사용되었습니다. 그러나 양성자 교환막 전해조(Proton Exchange Membrane Electrolyzers)로 알려진 이 공정을 위한 차세대 기술은 거의 실온에서 더 높은 효율로 작동할 수 있습니다. 감소된 에너지 수요로 인해 태양광 및 풍력과 같이 재생 가능하지만 간헐적인 에너지원을 사용하여 깨끗한 수소를 생산하는 데 이상적인 선택입니다.

그러나 비용이 문제로 남았다. 이 공정의 촉매제 중 하나는 현재 시장 가격이 온스당 약 5,000달러인 이리듐을 사용합니다. 이리듐의 공급 부족과 높은 가격은 PEM 전해조의 광범위한 채택에 주요 장벽이 됩니다.

연구팀은 이리듐보다 가격이 훨씬 저렴한 코발트를 주성분으로 하는 새로운 촉매를 개발했다.

Liu는 “우리 방법으로 제조된 코발트 기반 촉매를 사용하면 전해조에서 깨끗한 수소를 생산하는 데 드는 비용의 주요 병목 현상을 제거할 수 있다”고 말했습니다.

전해조 및 연료 전지의 상용화를 위해 노력하는 선도적인 연구 개발 회사인 Giner Inc.는 산업 작동 조건에서 PEM 전해조 테스트 스테이션을 사용하여 새로운 촉매를 평가했습니다. 성능과 내구성은 경쟁사 촉매를 훨씬 능가합니다.

이 팀의 성과는 1960년대 미국 우주 프로그램의 "Moon Shot"을 모방한 에너지부의 수소 에너지 지구샷(Hydrogen Energy Earthshot) 계획에서 한 단계 더 발전한 것입니다. 야심 찬 목표는 녹색 수소 생산 비용을 10년 안에 킬로그램당 1달러로 낮추는 것입니다. 그 비용으로 녹색 수소를 생산하면 국가 경제가 재편될 수 있습니다.

응용 분야에는 전력망, 제조, 운송, 주거용 및 상업용 난방이 포함됩니다.

과학자들은 작동 조건에서 원자 규모의 반응 메커니즘을 이해함으로써 성능을 개선할 수 있습니다.

Argonne 재료 과학자인 Jianguo Wen은 “우리는 다양한 준비 단계에서 새로운 촉매 표면의 원자 구조를 이미지화했습니다.

팀은 Argonne의 Advanced Photon Source에서 X선 ​​분석을 사용하여 작동 조건에서 촉매에서 발생하는 중요한 구조 변화를 해독했습니다. 그들은 또한 Sandia Labs와 Argonne의 Nanoscale Materials 센터에서 전자 현미경을 사용하여 주요 촉매 특징을 확인했습니다.

고급 광자 소스와 나노크기 재료 센터는 모두 DOE Office of Science 사용자 시설입니다. 또한 Berkeley Lab의 전산 모델링을 통해 반응 조건에서 촉매의 내구성에 대한 중요한 통찰력이 밝혀졌습니다.

인용: "양성자 교환막 전기분해를 위한 La 및 Mn이 도핑된 코발트 스피넬 산소 발생 촉매." Chong et al, Science, 2023년 5월 12일. 자금: 미국 에너지부 에너지 효율 및 재생 에너지 사무국, 아르곤 연구소 주도 연구 및 개발.