온라인 바카라와 포름산의 상호 전환을 위한 고에너지 효율 촉매 개발

국립산업기술종합연구소(AIST, 원장: 노마쿠치 타모츠) 에너지 기술 연구소(소장: 하세가와 야스오), 태양광 에너지 전환 그룹, 히메다 유이치로(수석 연구원) 등이 에츠코와 공동으로 온라인 바카라와 포름산의 상호 전환을 위한 고효율 촉매를 개발했습니다 Fujita (수석 화학자), 미국 Brookhaven 국립 연구소 (BNL) 촉매를 사용하여 포름산 (HCO) 생산 가능₂H) 수소와 온라인 바카라(CO₂)를 주변 온도 및 압력의 물에 넣습니다 오프라인에서는 포름산의 분해를 통해 고분자 전해질 연료전지에 사용하기에 적합한 일산화탄소(CO)가 없는 고압 수소 가스를 공급할 수 있습니다

AIST-일본을 기반으로 한 BNL 공동 연구 프로젝트-청정 에너지 기술에 대한 미국 협력을 통해 촉매와 수소 분자를 활성화하는 리간드에 대한 새로운 설계 원리를 개발함으로써 이 기술이 가능해졌습니다 본 촉매 기술은 온라인 바카라와 포름산의 상호변환에 따른 에너지 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있으며, 향후 온라인 바카라를 활용한 대규모 수소 저장 시스템 개발로 이어질 것으로 기대됩니다

결과의 세부사항은 영국 과학 저널의 전자 버전에 게재될 예정입니다자연화학, 2012년 3월 19일(JST)

양성자 반응 촉매와 양성자 릴레이 촉매를 이용한 온라인 바카라와 포름산의 고효율 상호전환

온라인 바카라 배출을 줄이고 지속 가능한 사회를 구축하기 위한 하나의 목표는 청정 에너지원인 수소를 기반으로 하는 수소 에너지 사회를 만드는 것입니다 이를 달성하기 위해서는 에너지 밀도가 낮은 수소를 안전하고 효율적으로 저장하고 수송하는 기술이 필수적이다 광합성의 암반응처럼 온라인 바카라를 줄이고 수소(에너지)를 저장하는 기술을 개발하면 수소사회 실현에 도움이 되고 온라인 바카라의 유익한 활용도 가능해진다 온라인 바카라의 수소화에 의해 생성된 메탄올과 포름산은 상온에서 액체이며 상대적으로 에너지 밀도가 높습니다 따라서 저장 및 운반이 용이한 수소저장재료로서의 연구개발이 진행되어 왔다 그러나 재료에는 몇 가지 문제가 있었습니다 (1) 온라인 바카라 전환 공정에는 고온 및 고압 조건이 필요하고 에너지 집약적입니다 (2) 역반응 과정을 통해 재생된 수소를 연료전지에서 활용하기 위해서는 연료전지 전극을 오염시키는 일산화탄소의 농도를 10ppm 이하로 유지해야 한다 (3) 방출된 수소를 연료전지에 공급하려면 가압이 필요합니다 따라서 수소의 저장 및 방출에서 전환 반응의 에너지 효율을 실질적으로 향상시키는 고성능 촉매를 개발할 필요가 있었습니다

AIST는 온라인 바카라의 수소화에 의한 개미산 생성과 개미산 분해에 의한 수소 생성에 대해 연구해 왔습니다 양성자 반응성 리간드에 의해 활성화되는 세계 최고 성능의 촉매 중 하나를 찾아냈고, 상온·상압에서 물 속의 온라인 바카라와 수소로부터 포름산을 생성하는 데 세계 최초로 성공했다 또한 100℃ 이하의 온도에서 유기첨가물이 없는 물에서 포름산을 분해해 세계에서 가장 효율적으로 CO가 없는 수소를 방출하는 데 성공했다 AIST는 수소 저장(포름산 생산)과 수소 방출(포름산 분해) 공정 모두에 대한 촉매 개발 기술을 발전시켰고, BNL은 인공 광합성 촉매의 반응 메커니즘을 분석하고 양성자 릴레이를 모델로 한 수소 활성화 기술을 보유하고 있다 AIST와 BNL의 촉매 기술을 결합하여 새로운 촉매 설계 원리에 따라 고성능 촉매를 개발했습니다

이 연구 및 개발은 경제산업부의 에너지 및 환경 기술 연구 및 표준화에 관한 일본-미국 협력 프로젝트의 지원을 받았으며, 이 프로젝트는 2009년 11월 13일 일본-미국 정상회담에서 일본-미국 청정 에너지 기술 협력에 관해 합의한 합의에 기초합니다

AIST가 개발한 기존의 양성자 반응 촉매는 상온 및 상압에서 물 속의 온라인 바카라를 수소화시켜 포름산염을 생성할 수 있으나, 반응속도와 수율(저장된 수소의 양)이 만족스럽지 못했습니다(그림 1) 새롭게 설계·합성된 촉매는 이리듐 원자 근처에 양성자 반응성 수산기(-OH)를 갖고 있으며 수산기 내 이리듐 원자와 산소 원자와의 상호작용을 통해 수소 분자를 활성화시킨다 이 촉매를 사용하여 주위 온도와 압력에서 물 속에서 온라인 바카라를 수소화하면 수소화 속도는 촉매를 사용했을 때보다 10배 이상 빨라집니다 포름산염의 농도(저장된 수소의 양)는 100배 이상 높습니다 즉, 새로운 촉매를 사용하면 에너지 집약적인 고온 및 고압 조건이 아닌 상온 및 압력에서 수소를 포름산염으로 전환하는 것이 가능해졌습니다

그림 1 : 주변 온도 및 압력에서 물에 온라인 바카라를 수소화하여 포름산염을 생산하는 시간 경과

일산화탄소가 포함되지 않은 수소는 상대적으로 온화한 조건에서 유기 첨가제를 사용하지 않고 기존의 양성자 반응 온라인 바카라에 의한 개미산 분해를 통해 방출됩니다 그러나 수소의 실질적인 공급과 이용을 위해서는 반응속도를 높이고, 배출되는 수소가스를 압축(즉, 가압)하는 것이 필요했다 개발된 온라인 바카라는 반응속도를 10배 이상 증가시킨다(그림 2) 폐쇄된 반응 용기에서 개미산을 탈수소화할 때, 반응 속도는 감소하지 않으며, 부산물로 일산화탄소가 생성되지 않고 개미산이 거의 완전히 분해됩니다 수소가 생성되면서 밀폐된 반응용기 내부의 압력이 높아지게 되어 외부 펌프를 사용하지 않고도 고압의 수소 공급이 가능해진다

그림 2 : (a) : 포름산 분해에 의해 발생된 가스량의 시간 경과 새로운 온라인 바카라와 기존 온라인 바카라 사용(탈수소 온도: 90 °C) (b): 개미산 분해에 따른 방출가스 분석 결과

그림 3은 개발된 촉매를 사용하는 가역적이고 재활용 가능한 수소 저장 시스템의 흐름도입니다 수소 가스는 주변 온도와 압력에서 촉매가 용해된 알칼리성 용액에 온라인 바카라와 수소의 혼합물(1:1 비율)을 불어 넣어 048M 포름산염으로 저장됩니다(1단계) 이어서, 산을 첨가하여 용액반응의 pH를 17로 조정한다(2단계) 양성자 반응 촉매의 성능은 pH 변화에 따라 달라집니다 반응 용기를 닫고 50°C로 가열하면 포름산이 분해되고 압축된 수소 가스가 생성됩니다(3단계) 반응이 끝나면 포름산의 96% 이상이 분해되었습니다 용액에 다시 염기를 첨가하면(4단계) 수소를 저장할 수 있습니다 이처럼 상온과 상압에서 수소를 저장했다가 고압의 수소를 방출하는 과정이 반복된다 촉매를 더 추가할 필요는 없습니다

그림 3 : 온라인 바카라의 수소화와 포름산 분해의 결합을 기반으로 한 수소 저장 과정의 흐름도

이 촉매 기술은 온라인 바카라의 수소화를 통해 포름산(수소 저장)을 생성하고 온화한 조건에서 포름산을 분해하여 고압 수소 가스를 공급하는 것을 가능하게 했습니다 온라인 바카라와 포름산의 상호전환 반응과 관련된 에너지 변화는 메탄올 및 기타 탄화수소 기반 수소 저장 물질의 전환 반응과 관련된 에너지 변화보다 작기 때문에 촉매는 상호전환 반응의 에너지 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다 고성능 촉매의 개발로 온라인 바카라를 사용하는 대규모의 저렴한 수소 저장 시스템을 개발하는 것이 가능해졌습니다

촉매의 고압 가스 공급 능력을 이용하여 연구진은 온라인 바카라 시스템과 포름산 결합 분리의 연속 분해를 기반으로 하는 고순도 수소 생산 시스템을 개발하고 있습니다 새로운 촉매 설계 원리를 활용해 촉매 효율을 더욱 높이고 비용을 절감할 계획이다 또한 가시광선 반응 반도체 촉매를 이용한 태양에너지에 의한 수소 생산과 개미산의 수소화를 결합해 물과 온라인 바카라로부터 에너지 저장 물질을 생산하는 완전 인공 광합성 시스템을 개발하는 것을 목표로 하고 있다