깨끗한 에너지를 위한 효율적인 수소 생산의 잠재력

세계 인구와 경제의 지속적인 성장으로 인해 에너지 수요가 크게 증가했으며, 그 중 약 80%가 만난다 화석 연료에 의해. 이러한 자원은 급격히 감소하고 있을 뿐만 아니라 상당한 증가의 원인이기도 합니다. 온실가스(GHG) 환경에서.

결과적으로, 재생 가능 에너지원에 대한 관심이 점점 더 높아지고 있습니다. 태양과 같은, 바람, 물, 유기물 및 지구의 .

스스로 재생되는 천연자원에서 추출되는 재생에너지원은 깨끗하고 지속 가능한 에너지 시스템에 중요합니다. 그러나 재생에너지는 불규칙적인 공급, 높은 초기 비용, 지리적 제약, 그리고 광범위한 공간 요구 조건 등 수많은 어려움에 직면해 있습니다. 

이 여기서 수소가 중요한 역할을 하게 됩니다. 수소에 대한 세계적 수요는 97년 2023만 톤(Mt), 전년 대비 2.5% 증가했습니다. 

청정 에너지 전환에서 수소의 역할

우주에서 가장 가벼운 원소, 수소, 무게에 비해 상당한 양의 에너지를 저장할 수 있는 능력과 유연성 덕분에 보다 지속 가능한 에너지 생태계를 구축할 수 있는 유망한 솔루션으로 떠올랐습니다.

그것은 태양과 같은 1차 에너지원이 아니라 2차 에너지원입니다. 절대로 필요한 것 be 생산 물, 천연가스, 바이오매스 등 다른 원자재로부터.

천연가스(현재 가장 흔한 방법)와 같은 화석 연료를 사용하여 생산할 경우 수소는 상당한 연간 CO2 배출량을 차지하므로 깨끗한 에너지가 아닙니다.

그러나 연료 전지에 사용하면 수소는 부산물로 수증기만 생성하므로 깨끗한 연료입니다.

다재다능한 에너지 운반체인 수소는 여러 가지 중요한 에너지 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 수소는 몇 주 또는 몇 달 동안 에너지를 저장하여 전력 시스템에 재생 에너지원을 통합하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

핵에너지나 재생에너지, 또는 탄소포집을 이용한 화석연료를 이용하여 생산되는 저배출 수소 그 동안에, 도움이 될 수 있습니다 탈탄소화 다양한 분야 배출량 감소가 특히 어려운 중공업 및 장거리 운송 분야에서는 크게 그것으로부터 이익을 얻으세요. 그러나 이 수소 생산은 여전히 ​​미미한 역할을 하고 있습니다. 아래에 1 년 2023 %

수소는 실제로 파생되다 다양한 기술에서. 가장 효율적인 생산 방법 중 하나 지속 가능한 수소는 물 전기분해를 통해 생산됩니다. 이 에너지 집약적인 전기분해에서는 전기가 사용 물을 수소와 산소로 분리하는 것. 기술은 잘 발달 된 상업적으로 이용 가능, 그래도 추정 에너지 효율은 약 52%이다.

또 다른 접근 방식은 플라스몰리시스(plasmolysis)입니다. 보여 주었다 에너지 수율 ~와 동등한 전기분해, 추가됨 이점 전력 소비 감소, 원가 절감, 장비 크기 축소 등의 효과가 있습니다. 미세유체학의 최근 발전 미세 플라즈마 수증기 플라스몰리시스를 이용한 수소 생산은 에너지 효율성 측면에서 수익성이 높습니다.

기타 유도하는 방법 전기를 위한 수소에는 광촉매, 생물수소, 열화학 공정이 포함됩니다.

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수소 기술은 유망하지만 널리 퍼져 있습니다. 사용 정지된 얼굴들 어려움 생산 측면에서 비용, 효율성, 그리고 전반적인 환경적 지속 가능성. 그러나 더 깨끗한 에너지원에 대한 필요성을 감안할 때 전 세계 연구자들은 끊임없이 해결책을 모색하다 새로운 재료와 관련된 이러한 문제 더 나은 기술.

수소 효율을 촉진하는 촉매 혁신

수소 기술이 개념에서 상용화로 발전함에 따라 주요 과제 중 하나는 다음과 같습니다. 와 더불어 이러한 시스템을 효율적이고 확장 가능하게 만드는 재료가 필요합니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 다양한 접근법을 연구하고 있습니다.

예를 들어, 중국과학원 본부의 연구에 따르면, 출판¹ 이번 달 Nature에서는 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC)에서 백금의 대안으로 작은 철 촉매를 소개했는데, 이는 깨끗한 에너지의 미래를 변화시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

PEMFC는 수소와 산소로부터 전기를 생산하는 청정 에너지 장치로, 부산물로는 물만 생성됩니다. 하지만 촉매로 희소하고 값비싼 백금을 크게 사용합니다. 그래서, 도움이 되려면 이러한 촉매가 널리 채택됨에 따라 연구진은 연료 전지를 위한 고성능 철 기반 촉매를 개발했습니다.

새로운 촉매는 영리한 "내부 활성화, 외부 보호" 설계로 유해한 부산물을 줄이는 동시에 뛰어난 성능을 달성할 수 있습니다.

Fe/N–C 촉매는 백금족 금속 촉매에 대한 가장 유망한 대안 중 하나이지만, 그 활성과 내구성은 성능 기준을 충족하지 못합니다. 그래서, 팀은 새로운 유형의 Fe/N-C 촉매를 설계하고 개발했습니다. 만든 나노돌출부의 내부 곡면 내에 단일 Fe 원자 부위가 내장된 2D 탄소 층에 분포된 수많은 나노돌출부로 구성됩니다. 

그 결과, 새로운 촉매는 86시간 이상의 연속 작동 후에도 300%의 활성을 유지하는 등 "최고 성능의" 백금족 금속이 없는 PEMFC 성능을 제공할 수 있었습니다.

물 전기분해를 통해 기후 중립적인 방식으로 수소를 생산하는 또 다른 핵심 기술은 양성자 교환막 물 전기분해(PEM-WE)입니다.

원하는 반응을 가속화하기 위해 전극 코팅 특수 전기 촉매를 사용합니다. 양극에는 이리듐 기반 촉매가 일반적으로 사용되며, 특히 산성 산소 발생 반응(OER)에 사용됩니다.

산소 발생 반응(OER)은 깨끗한 수소 에너지를 생성하는 물 분해 공정의 산소 생성 단계이지만, 여전히 까다롭고 비효율적입니다. 이 반응은 이리듐 기반 촉매를 사용할 때 가장 효과적입니다.

1803년에 발견된 이리듐은 자연에서는 순수한 형태로 존재하지 않지만 상업적으로 회수됩니다 백금, 팔라듐, 니켈 또는 구리 생산의 부산물로 생성됩니다. 

이리듐은 공기, 물, 산에 의해 영향을 받지 않는 밀도가 높고 단단한 금속입니다. 때문에 이러한 속성은 is 익숙한 점화 플러그, 과학 장비, 촉매, 전자제품용 전도성 잉크, 암 치료 등에 사용됩니다.

금속 거의 사용되지 않는다 준비 및 제작의 어려움으로 인해 순수한 형태로는 불가능합니다. 차라리, 그 사용 백금 합금의 형태로.

그러나 이리듐(Ir)은 고가의 금속이며 지구 지각에서 자연적으로 발생하는 가장 희귀한 원소 중 하나입니다. 이리듐 함유 광석 발견된다 남아프리카공화국, 미국(알래스카), 브라질, 러시아, 미얀마, 호주.

그 희소성은 다음과 결합되어 있습니다. 그것의 산업계의 높은 수요 처럼 전자제품은 가격이 매우 비쌉니다. 이리듐은 실제로 금보다 가치가 더 높아서 5,000온스당 가격이 XNUMX달러에 가깝습니다.

So, 그게 말이 되는 거야 과학자들은 끊임없이 찾고 이리듐을 대체할 새로운 금속 도움 PEMWE의 대규모 도입. 그러나 IR이 아닌 대안을 발견하는 것은 간단하지 않으며 관련된 설계 공간이 방대하기 때문에 여전히 느린 편이다.

몇 달 전, 연구² 도호쿠 대학의 첨단재료연구소(AIMR)에서는 물 전기분해를 통한 깨끗한 수소 생산을 위한 효율적이고 내구성 있는 솔루션으로 새로운 다공성 결정 촉매를 자세히 설명했습니다. 

이 연구에서 사용된 물질은 산성 OER을 위해 원자적으로 분산된 이리듐으로 도핑된 중공성 단결정 Co3O4입니다.

메조포러스 스피넬 구조는 큰 이리듐 클러스터 형성 없이 높은 Ir 함량(13.8 wt%)을 허용하기 때문에 핵심적인 역할을 합니다. 이 구조는 Ir 함량을 위한 공간을 제공할 뿐만 아니라, 안정적인 환경 조성에도 도움을 줍니다.

촉매는 100mV의 과전압(η₁₀)에서도 248시간 이상 성능을 유지했습니다.

최근의 또 다른 연구에서 연구자들은 몇 가지 핵심 금속으로 구성된 수백만 개의 서로 다른 나노구조의 촉매 활성을 탐구하는 "거대 라이브러리"를 만들어 규모와 속도에 맞는 OER용 Ir 촉매의 대안을 찾는 데 도움을 주었습니다.

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나노기술을 활용한 신속한 촉매 발견

The 최신 연구³ 실제로 비용과 에너지 효율을 모두 갖춘 수소 연료 생산을 위한 새로운 촉매를 발견했습니다.

이번 달 미국 화학회지(JACS)에 게재된 이 촉매의 발견은 새로운 나노입자 메가라이브러리를 사용하여 이루어졌으며 이리듐의 성능과 동일하거나 더 뛰어납니다. 수소 연료 생산, 비용의 일부만으로.

오랫동안 지금연구자들은 찾고 이리듐의 대안. 그러나 뭐 했다 노스웨스턴 대학의 과학자들이 개발한 강력한 새로운 도구를 사용하면, 수십 년이 걸렸던 일이 단 오후 만에 발견되었습니다.

새롭게 발명된 이 도구는 세계 최초의 나노물질 "데이터 공장"인 메가라이브러리(megalibrary)라고 불립니다. 이 라이브러리들은 각각 하나의 작은 칩에 수백만 개의 나노입자를 담고 있습니다.

이후 이 기술은 도요타 연구소(TRI)의 연구자들과 협력하여 수소 생산을 위한 상업적으로 관련성 있는 촉매를 찾는 데 사용되었습니다. 그 후 재료가 확장되었습니다. up, 장치 내에서 작동하는 것으로 나타났습니다. 이 모든 것이 이루어졌습니다 기록적인 시간에.

연구자들은 새로운 촉매를 발견하기 위해 익숙한 네 개의 저렴한, 풍부한 금속은 모든 촉매적 성능으로 유명합니다. 이러한 금속은 다음과 같습니다.

1. 코발트(CO)
2. 크롬(CR)
3. 망간(MN)
4. 루테늄 (Ru)

메가도서관 그 다음에 사용되었다 새로운 소재를 찾기 위해 이들 금속의 다양한 조합을 신속하게 검토하여 이리듐과 동등한 성능을 가진 새로운 소재를 찾아냈습니다.

연구팀은 실험실 성능에서 상용 이리듐 기반 소재와 비슷한 성능을 보이는 새로운 소재를 하나 발견했습니다. 어떤 경우에는 훨씬 저렴한 비용으로 상용 이리듐 기반 소재를 능가하는 성능까지 보였습니다.

이 발견은 잠재적으로 녹색 수소를 저렴하게 만듭니다.

또한, 새로운 자료는 연구자들이 다양한 분야에서 새로운 자료를 발견하는 방식을 바꿀 수 있는 거대 도서관 접근 방식의 효과를 보여줍니다. 분야의 다양한 어플리케이션에서 사용됩니다.

메가라이브러리 플랫폼의 주요 발명자이자 약 2016년 전인 XNUMX년에 실제로 메가라이브러리를 도입한 수석 연구 저자인 Chad A. Mirkin에 따르면,

"우리는 세계에서 가장 강력한 합성 도구를 선보였습니다. 이 도구를 사용하면 화학자와 재료 과학자가 사용할 수 있는 엄청난 수의 조합을 검색하여 중요한 재료를 찾을 수 있습니다."

대규모 도서관 프로젝트에서 팀은 "에너지 부문이 직면한 주요 문제를 해결하는 데 그 역량을 집중했습니다." 나노기술의 선구자인 미르킨이 지적했듯이 문제는 다음과 같습니다.

"이리듐만큼 우수하면서도 더 풍부하고, 더 쉽게 구할 수 있고, 훨씬 저렴한 소재를 어떻게 찾을 수 있을까요? 이 새로운 도구 덕분에 유망한 대안을 빠르게 찾을 수 있었습니다."

미르킨은 노스웨스턴 대학교 와인버그 예술과학대학의 화학 교수이며, 매코믹 공과대학의 화학 및 생물공학, 생체공학, 재료과학 및 공학 교수입니다. 

녹색 수소는 세계의 중요한 요구이지만 제약이 있다 가장 희귀한 소재 중 하나에 의존하여 기능하기 때문입니다.

"세계에는 우리의 예상 수요를 모두 충족할 만큼 충분한 이리듐이 없습니다."

– Weinberg의 화학 교수이자 McCormick의 전기 및 컴퓨터 공학 교수인 Ted Sargent

사전트와 미르킨은 이 프로젝트를 함께 진행했습니다.

"물을 분해해 대체 에너지를 생산하는 것을 고려하면, 공급 측면에서만 보면 이리듐이 충분하지 않습니다."

– 사전트

이 금속을 대체할 새로운 후보 물질을 발견하는 것은 이 새로운 도구의 완벽한 적용 사례였으며, 느리고 벅찬 기존 재료 탐색 과정에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 기존의 시행착오적 방식과 달리, 새로운 대규모 라이브러리는 최적의 조성을 신속하게 파악할 수 있도록 지원합니다.

각 메가라이브러리는 수십만 개의 작은 피라미드 모양의 팁으로 구성되어 표면에 개별 '점'을 인쇄합니다. 여기 있는 모든 점에는 세심하게 설계된 금속염 혼합물이 들어 있는데, 이 혼합물은 가열되면 환원되어 정확한 크기와 구성을 가진 단일의 고유한 나노입자를 형성합니다.

미르킨에 따르면:

"각 팁은 작은 연구실에 있는 작은 사람에 비유할 수 있습니다. 하나를 갖는 대신 작은 사람 어떤 것을 만들어 한 번에 수백만 명의 사람들이 있는 구조입니다. 그러니까 기본적으로 칩 하나에 연구원들로 구성된 군대가 배치된 셈이죠."

칩에는 총 156억 XNUMX만 개의 입자가 들어 있으며, 각 입자는 Co, Cr, Mn, Ru의 다양한 조합으로 형성되었습니다. 로봇 스캐너가 분석했습니다. 퀴즈를 풀어보고, 산소 발생 반응(OER)을 얼마나 잘 수행할 수 있는지. 

입자의 궁극적인 성능을 검사하는 이러한 능력은 큰 혁신입니다.

"처음으로 우리는 촉매를 빠르게 선별할 수 있었을 뿐만 아니라, 규모가 확대된 환경에서도 가장 우수한 촉매가 좋은 성능을 보이는 것을 확인했습니다."

– TRI의 수석 연구 과학자이자 연구 공동 저자인 Joseph Montoya

연구자들은 평가를 바탕으로 40개를 선정했습니다. 최고 실적 추가적으로 실험실에서 테스트하기 위해 낮은 활성도에서 높은 활성도까지 다양한 후보물질을 선정합니다. RuCoMnCr 산화물 크기가 조정되었습니다 촉매 성능을 연구하기 전에 밀리그램 수준으로 처리했습니다.

한 작품이 눈에 띄었다 마침내. 네 가지 금속을 모두 정확하게 결합한 것은 Ru52Co33Mn9Cr6 산화물이었습니다.

그래서, 팀은 할 수 있었다 얻을 다중 금속 촉매는 실제로 단일 금속 대응 물질보다 더 활성적인 것으로 알려져 있습니다.

"저희 촉매는 실제로 이리듐보다 활성이 약간 더 높고 안정성도 뛰어납니다."라고 미르킨은 말했다. "루테늄은 종종 덜 안정적이기 때문에 이런 경우는 드뭅니다. 하지만 구성 성분의 다른 원소들이 루테늄을 안정화시킵니다."

촉매는 1.58 A/cm1에서 2 V, 1.77 A/cm3에서 2 V의 전압을 생성했습니다.

장기 성능 측면에서 이 새로운 촉매는 가혹한 산성 환경에서 높은 효율성과 놀라운 안정성으로 1,000시간 이상 작동했으며 비용은 저렴했습니다. about 1/16의 이리듐.

"이를 상업적으로 실현 가능하게 만들기 위해서는 해야 할 일이 많지만, 연구실 규모뿐만 아니라 장치에 적용할 수 있는 유망한 촉매를 그렇게 빨리 찾아낼 수 있다는 점이 매우 흥미롭습니다."

– 몬토야

새로운 촉매를 찾는 과정에서 연구팀은 방대한 고품질 소재 데이터 세트를 구축했는데, 이는 머신 러닝과 AI가 차세대 신소재를 설계하는 길을 열어줄 수 있습니다.

TRI, 노스웨스턴, 그리고 그 분사기업인 매티크는 이미 엄청난 속도로 대형 도서관을 검색할 수 있는 알고리즘을 개발했습니다. 

하지만 이는 시작에 불과합니다. AI와 마찬가지로, 메가라이브러리 접근법은 단순히 에너지 변환을 위한 촉매 발견을 가속화하는 데 그치지 않고 첨단 광학 부품, 생체 의료 기기, 배터리 등 거의 모든 기술의 소재 발견을 혁신할 수 있습니다.

"배터리, 핵융합 등에 필요한 온갖 재료를 찾아 나설 것입니다." 미르킨은 말했다. "세상은 필요에 맞는 최고의 재료를 사용하지 않습니다. 사람들은 주어진 도구를 활용하여 특정 시점에 최고의 재료를 찾아냈습니다. 문제는 이제 그러한 재료를 중심으로 거대한 인프라가 구축되어 있는데도 불구하고, 우리는 그 인프라에 갇혀 있다는 것입니다. 우리는 이러한 상황을 완전히 바꾸고 싶습니다. 이제는 타협 없이 모든 필요에 맞는 최고의 재료를 진정으로 찾아야 할 때입니다."

수소의 힘에 투자하다

블룸 에너지 코퍼레이션 (BE ) 고정형 연료전지 발전사업에 종사하고 있습니다. It 제공 두 상업적으로 생산되는 제품: 수소를 생산하는 Bloom 전해조와 전기를 생산하는 Bloom 에너지 서버.

이 회사는 최대 규모의 전해조에서 수소를 생산하고 있습니다. 세상에, 하는 것입니다 NASA 에임스 연구 센터에 설치됨 생성 중 상업용 전해조보다 메가와트당 수소 25% 더 많음 처럼 PEM 또는 알칼리성.

지금까지 Bloom Energy는 전 세계 1.5개 이상의 시설에 1,200GW의 저탄소 전력을 공급했습니다.

시가총액이 12.38억 53.15천만 달러인 BE 주가는 138.36달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 XNUMX% 상승했습니다. 최근 하이퍼스케일러와 데이터 기업의 관심 증가로 회사 주가가 55달러를 돌파해 새로운 최고치를 기록했습니다. 센터들. 또한, 뒤로 7월에 회사는 Oracle과 중요한 거래를 확보했으며 다음과 같은 내용을 암시했습니다. 더 보기 미래에도 이런 거래가 있을 겁니다.

EPS(TTM)는 0.11이고 P/E(TTM)는 495.23입니다.