Power, Energy

수소 및 탄소연료 생산을 위한 one-pot 공정: 태양연료

장종엽엔에스 2015. 1. 5. 09:07

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-05
650˚C 이하의 온도에서 간단한(single-pot) 전해합성법을 통해, 혼합된 수산화물(hydroxide)/탄산염(carbonate) 전해질, 물 및 이산화탄소를 이용해 수소 및 고체 탄소연료를 동시에 생산하는 방법이 조지워싱턴대학(George Washington University) Stuart Licht 교수가 이끄는 연구팀에 의해 개발되었다. 본 연구는 STEP (solar thermal electrochemical process)라는 방법을 이용해 연구를 더욱 진보시킨 것으로, STEP는 2009년 연구팀이 소개했던 태양열과 흡열 전기분해를 기반으로 하는 효율적인 공정이다. 간단히 말해, STEP는 태양열 에너지를 이용해 시스템의 온도를 상승시켜 전기분해 전위(electrolysis potentials)를 낮추게 된다.

연구팀은 지난 수 년 동안, STEP의 태양, 광학 및 전자 성분에 대한 상세한 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 물과 이산화탄소로부터 수소 및 탄소를 생산하는 STEP 연료의 전기분해 성분에 중점을 두었다. 본 연구결과는 Advanced Energy Materials지에 게재되었다.

용융 수산화물(molten hydroxide)은 수소 생산을 위해 물을 분해하기 위한 전도성, 고전류, 낮은 전기분해 전위의 전해질로서 중요한 물질이다. 이런 물분해의 콜롱 효율(Coulombic efficiency)인 ηH2는 거의 100%에 달하며, 낮은 융점의 혼합 알칼리 용융 수산화물과 300 ˚C의 온도 조건이었다.

본 연구에서, 연구팀은 수산화물/탄산염 전해질, 산소 발생을 위한 니켈 전극(anode) 및 탄소(흑연)와 수소 발생을 위한 니켈 혹은 철 전극(cathode)을 사용해 수소 및 탄소연료를 합성하는데 성공하였다. 전해질에서의 낮은 수산화물 비율은 충분한 탄소의 생성을 의미하며, 높은 비율에서는 전극(cathode)에서 수소 기체만이 형성된다. 부가된 바륨 및 리튬염은 니켈 전극(anode)의 안정성을 증가시킨다.

태양열 에너지를 이용해 전기분해의 전위를 낮추는 방법은, 액체, 기체 혹은 고체상태의 전해질 전지(electrolyte cells)에 적용될 수 있다. 일반적으로, 액체 및 용융 전해질 전지에 STEP를 활용함에 따른 에너지 측면에서의 이점이 있다. 이런 전지는 태양열을 이용해 높은 전류밀도 및 낮은 전기분해 전위를 제공할 수 있다. 중요한 것은, 용융 염 전지는 높은 반응물 농도를 수용할 수 있어서 전위를 추가적으로 더 낮출 수 있다. 연구팀의 이전의 연구를 통해 용융 수산화물 전해질과 태양을 이용해 물을 분해해 수소연료를 생산하고, 용융 탄산염 전해질을 이용해 이산화탄소를 탄소와 일산화탄소 연료로 분해하는 것을 보여준 바 있다.

특히 본 연구에서는 단일 전지에서 수소와 탄소 생성물을 동시에 생성할 수 있는 첫 용융 전해질을 소개하고 있다. 새로운 리튬-바륨-수산화칼슘 탄산염 전해질을 이용해, 수소와 탄소 연료를 단일 전기분해조에서 동시에 생산하였다. 물과 이산화탄소가 출발 물질임을 감안한다면, 재생가능한 연료의 개발에 상당한 진전을 이루는데 도움이 될 것이다.

수산화물로서 LiOH를 사용한 새로운 Li1.6Ba0.3Ca0.1CO3 전해질을 사용해 수소와 탄소의 동시 생산이 이루어졌다. 이 합성에서 쿨롱 효율은 수소 및 탄소의 경우 각각 62% 및 20% 정도였다. LiOH/Li1.6Ba0.3Ca0.1CO3 전해질의 H2 쿨롱 효율은, 500 ˚C 에서 순수한 바륨 수산화물 전해질을 사용한 경우보다 더 높았다.

그림 1> 다양한 온도와 용융 수산화물 전해질에서 측정된 수소 생산에 대한 쿨롱 효율(ηH2)
그림 2> 물과 이산화탄소로부터 수소 및 고체 탄소를 생산하는 one-pot 전기분해 공정

원문정보: Li, F.-F., Liu, S., Cui, B., Lau, J., Stuart, J., Wang, B. and Licht, S. (2014), “A one-Pot Synthesis of Hydrogen and Carbon Fuels from Water and Carbon Dioxide,” Adv. Energy Mater. doi: 10.1002/aenm.201401791