물갈퀴

Water splitting
물이 갈라지는 형태인 물의 전기분해의 화학식도.

물 분할은 물이 산소와 수소로 분해되는 화학 반응입니다.[1]

2 HO → 2 H + O

효율적이고 경제적인 물 분할은 그린 수소를 기반으로 수소 경제를 뒷받침할 수 있는 기술적 돌파구가 될 것입니다. 광합성에서 물이 쪼개지는 버전이 발생하지만 수소는 생성되지 않습니다. 물이 갈라지는 역방향은 수소 연료 전지의 기본입니다.

전기분해

주요 기사: 물의 전기 분해

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물을 산소와 수소로 분리하는 화학 반응에 대한 대기 전기 활용도(이미지 비아: Vion, 미국 특허 28793. 1860년 6월)
전기 패널이 전경에 있는 전해기 프론트

물의 전기 분해는 물(HO2)을 산소(O2)와 수소(H2)로 분해하는 것입니다.[2]

수전해선 수소챌린저

물에서 수소를 생산하는 것은 에너지 집약적입니다. 보통 소비되는 전기는 생산되는 수소보다 더 가치가 있기 때문에 이 방법은 널리 사용되지 않았습니다. 물의 고온 전기 분해(HTE)는 저온 전기 분해와 달리 초기 열 에너지의 더 많은 부분을 화학 에너지(수소)로 변환하여 잠재적으로 약 50%[citation needed]까지 효율성을 배가시킵니다. HTE의 에너지 중 일부는 열의 형태로 공급되기 때문에, 더 적은 양의 에너지가 두 번 (열에서 전기로, 그리고 나서 화학적 형태로) 변환되어야 하기 때문에 프로세스가 더 효율적입니다.[citation needed]

2020년에는 전해수 분할 에너지 효율이 60%–70%였습니다.[3]

고온 전기 분해(HTE 또는 스팀 전기 분해)는 물에서 산소를 부산물로 사용하여 수소를 생산하는 방법입니다. brary.unt.edu/ark :/67531/metadc270782/}</ref>

광합성에서 물이 갈라지는 현상

물의 분열은 광합성에서 일어나지만 전자는 양성자가 아니라 광계 II의 전자 수송 사슬로 이동합니다. 전자는 이산화탄소를 당으로 전환하는 데 사용됩니다.

광계 I가 광 여기 상태가 되면 전자 전달 반응이 시작되어 일련의 전자 수용체가 환원되어 결국 NADP가+ NADPH로 환원되고 광계 I가 산화됩니다. 산화된 광계 I은 플라스토퀴논, 사이토크롬 및 플라스토시아닌과 같은 작용제를 포함하는 일련의 단계를 통해 광계 II로부터 전자를 포획합니다. 광계 II는 물 산화를 일으켜 산소를 진화시키고, 반응은 복잡한 단백질 환경에 내장된 CaMnO45 클러스터에 의해 촉매되며, 복합체는 산소 진화 복합체(OEC)로 알려져 있습니다.[4][5]

수소 생산을 위한 조류 생물반응기.

생물학적 수소 생산에서 광계에 의해 생성된 전자는 화학 합성 장치가 아닌 수소화효소로 이동되어 H가2 형성됩니다. 이 바이오수소는 생물반응기에서 생산됩니다.[6]

광전기화학적 물분할

주요 기사: 물의 광전기분해

태양광 시스템에서 생산된 전기를 사용하면 원자력, 풍력, 지열 및 수력 이외의 수소를 생산하는 가장 깨끗한 방법을 제공할 수 있습니다. 다시 물은 전기 분해에 의해 수소와 산소로 분해되지만 전기 에너지는 광전기화학전지(PEC) 공정에 의해 얻어집니다. 이 시스템의 이름은 인공 광합성입니다.[7][8][9][10]

촉매 및 양성자-릴레이 막은 종종 개발에 중점을 둡니다.[11][12]

광촉매 물 쪼개기

주요 기사: 광촉매 물 쪼개기

물을 쪼개는 과정을 통해 태양 에너지를 수소로 전환하는 것이 깨끗하고 재생 가능한 에너지를 달성하는 방법입니다. 이 과정은 광전지나 전해 시스템보다 물에 직접 매달린 광촉매의 도움을 받아 한 단계로 반응이 이뤄지면 더 효율적일 수 있습니다.[13][14]

방사분해

본문: 방사성 분해 § 수소 생산

에너지가 넘치는 핵 방사선은 물 분자의 화학적 결합을 깨뜨릴 수 있습니다. 남아프리카의 Mponeng 금광에서, 연구원들은 자연적으로 높은 방사선 지역에서 주로 방사성으로 생산되는 H를2 먹고 사는 데술포토마쿨룸의 새로운 계통형에 의해 지배되는 공동체를 발견했습니다.[15] 사용 후 핵 연료도 잠재적인 수소 공급원으로 조사되고 있습니다.[citation needed]

물의 열분해

주요 기사: 열화학주기

열분해에서 물 분자는 수소와 산소로 나뉩니다. 예를 들어, 2,200 °C (2,470 K; 3,990 °F)에서는 모든 HO의2 약 3%가 수소와 산소 원자의 다양한 조합으로 해리되며, 대부분 H, H2, O, O 및2 OH입니다. HO22 또는 HO와2 같은 다른 반응 생성물은 미미합니다. 3,000 °C (3,270 K; 5,430 °F)의 매우 높은 온도에서는 물 분자의 절반 이상이 분해됩니다. 주변 온도에서는 100조분의 1의 분자만이 열의 영향으로 해리됩니다.[16] 고온 및 재료 제약으로 인해 이 접근 방식의 적용이 제한되었습니다.

다른 연구에는 결함이 있는 탄소 기질에 대한 열분해가 포함되므로 1,000°C(1,270K; 1,830°F) 미만의 온도에서 수소 생산이 가능합니다.[17]

참고 항목: NGNP

전기와 수소를 모두 생산하는 원자로의 한 가지 부수적인 이점은 둘 사이에서 생산을 전환할 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 원자력 발전소는 낮에는 전기를 생산하고 밤에는 수소를 생산하여 전기 생산 프로필을 일일 수요 변화에 맞출 수 있습니다. 수소를 경제적으로 생산할 수 있다면 이 계획은 기존 그리드 에너지 저장 계획과 유리하게 경쟁할 것입니다. 2005년 기준으로 미국에서는 하루 피크 발생량을 모두 이러한 플랜트에서 처리할 수 있을 만큼 충분한 수소 수요가 있었습니다.[18]

하이브리드 열전 구리-염소 사이클은 원자로, 특히 CANDU 초임계수 원자로의 폐열을 이용한 열병합 발전 시스템입니다.[19]

태양열

태양열을 집중시키면 물을 나누는 데 필요한 고온을 얻을 수 있습니다. 하이드로솔-2는 스페인 플라타포마 솔라 데 알메리아에 있는 100 킬로와트의 파일럿 플랜트로, 햇빛을 이용해 물을 쪼개는 데 필요한 800~1,200 °C (1,070~1,470 K; 1,470~2,190 °F)를 얻을 수 있습니다. 하이드로솔 II는 2008년부터 운영되고 있습니다. 이 100킬로와트 파일럿 플랜트의 설계는 모듈식 컨셉을 기반으로 합니다. 결과적으로, 이 기술은 사용 가능한 원자로 단위를 곱하고 식물을 적절한 크기의 헬리오스타트 들판(태양 추적 거울의 들판)에 연결함으로써 메가와트 범위까지 쉽게 확장될 수 있을 것입니다.[20]

정의된 열 구배와 수소의 빠른 확산을 이용하는 수소와 산소의 동시 추출이 가능한 막 반응기의 설계에 의해 요구되는 고온으로 인한 재료 제약이 감소됩니다. 농축된 햇빛을 열원으로 하고 반응 챔버에 물만 있으면 생성된 가스는 물뿐으로 매우 깨끗합니다. 약 100 m의2 농축기를 가진 "태양수 크래커"는 일조 시간당 거의 1 킬로그램의 수소를 생산할 수 있습니다.[21]

황-요오드 사이클(S–I cycle)은 수소를 생산하는 데 사용되는 일련의 열화학적 과정입니다. S-I 사이클은 순 반응물이 물이고 순 생성물이 수소와 산소인 세 가지 화학 반응으로 구성됩니다. 다른 모든 화학 물질은 재활용됩니다. S–I 공정에는 효율적인 열원이 필요합니다.

352개 이상의 열화학적 사이클이 열분해에 의한 물 분할에 대해 설명되었습니다.[22] 이 사이클들은 전기를 사용하지 않고 물과 열로부터 수소와 산소를 생산할 것을 약속합니다.[23] 이러한 공정의 모든 입력 에너지는 열이기 때문에 고온 전기 분해보다 더 효율적일 수 있습니다. 전기 생산의 효율은 본질적으로 제한적이기 때문입니다. 석탄이나 천연가스의 화학에너지를 이용한 수소의 열화학적 생산은 직접적인 화학적 경로가 더 효율적이기 때문에 일반적으로 고려되지 않습니다.

모든 열화학적 과정에 대해 요약 반응은 물 분해 반응입니다.[23]


열화학주기 LHV 효율 온도(°C/F)
세륨()IV) 산화물-세륨(III) 산화물 사이클 (CeO2/CeO23) ? % 2,000 °C (3,630 °F)
하이브리드 황 사이클(HyS) 43% 900 °C (1,650 °F)
황-요오드 사이클 (S–I 사이클) 38% 900 °C (1,650 °F)
황산카드뮴 사이클 46% 1,000 °C (1,830 °F)
황산바륨 사이클 39% 1,000 °C (1,830 °F)
황산망간 사이클 35% 1,100 °C (2,010 °F)
산화아연-아연 사이클(Zn/ZnO) 44% 1,900 °C (3,450 °F)
하이브리드 카드뮴 사이클 42% 1,600 °C (2,910 °F)
탄산카드뮴 사이클 43% 1,600 °C (2,910 °F)
산화철 사이클(FeO34/FeO) 42% 2,200 °C (3,990 °F)
망간나트륨 사이클 49% 1,560 °C (2,840 °F)
니켈망간 페라이트 사이클 43% 1,800 °C (3,270 °F)
아연망간 페라이트 사이클 43% 1,800 °C (3,270 °F)
구리-염소 사이클(Cu-Cl) 41% 550 °C (1,022 °F)

참고문헌

  1. ^ Kudo, Akihiko; Miseki, Yugo (2009). "Heterogeneous photocatalyst materials for water splitting". Chem. Soc. Rev. 38 (1): 253–278. doi:10.1039/b800489g. PMID 19088977.
  2. ^ Hauch A, Ebbesen SD, Jensen SH, Mogensen M (2008). "Highly efficient high temperature electrolysis". Journal of Materials Chemistry. 18 (20): 2331. doi:10.1039/b718822f.
  3. ^ Yan, Zhifei; Hitt, Jeremy L.; Turner, John A.; Mallouk, Thomas E. (9 June 2020). "Renewable electricity storage using electrolysis". Proceedings of the National Academy of Sciences. 117 (23): 12558–12563. Bibcode:2020PNAS..11712558Y. doi:10.1073/pnas.1821686116. PMC 7293654. PMID 31843917.
  4. ^ Yano J, Kern J, Sauer K, Latimer MJ, Pushkar Y, Biesiadka J, et al. (November 2006). "Where water is oxidized to dioxygen: structure of the photosynthetic Mn4Ca cluster". Science. 314 (5800): 821–5. Bibcode:2006Sci...314..821Y. doi:10.1126/science.1128186. PMC 3963817. PMID 17082458.
  5. ^ Barber J (March 2008). "Crystal structure of the oxygen-evolving complex of photosystem II". Inorganic Chemistry. 47 (6): 1700–10. doi:10.1021/ic701835r. PMID 18330964.
  6. ^ Melis T (2008). "II.F.2 Maximizing Light Utilization Efficiency and Hydrogen Production in Microalgal Cultures" (PDF). DOE Hydrogen Program - Annual Progress Report. U.S. Department of Energy. pp. 187–190.
  7. ^ Kleiner K (31 Jul 2008). "Electrode lights the way to artificial photosynthesis". New Scientist.
  8. ^ Bullis K (31 Jul 2008). "Solar-Power Breakthrough. Researchers have found a cheap and easy way to store the energy made by solar power". MIT Technology Review.
  9. ^ http://swegene.com/pechouse-a-proposed-cell-solar-hydrogen.html[데드링크]
  10. ^ del Valle F, Ishikawa A, Domen K, Villoria De La Mano JA, Sánchez-Sánchez MC, González ID, et al. (2009). "Influence of Zn concentration in the activity of Cd1–xZnxS solid solutions for water splitting under visible light". Catalysis Today. 143 (1–2): 51–59. doi:10.1016/j.cattod.2008.09.024.
  11. ^ Chu S, Li W, Hamann T, Shih I, Wang D, Mi Z (2017). "Roadmap on solar water splitting: current status and future prospects". Nano Futures. 1 (2): 022001. Bibcode:2017NanoF...1b2001C. doi:10.1088/2399-1984/aa88a1. S2CID 3903962.
  12. ^ Monash University (17 August 2008). "Monash team learns from nature to split water". EurekAlert.
  13. ^ Navarro Yerga RM, Alvarez Galván MC, del Valle F, Villoria de la Mano JA, Fierro JL (2009). "Water Splitting on Semiconductor Catalysts under Visible-Light Irradiation". ChemSusChem. 2 (6): 471–485. doi:10.1002/cssc.200900018. PMID 19536754.
  14. ^ Navarro RM, del Valle F, Villoria De La Mano JA, Álvarez-Galván MC, Fierro JL (2009). de Lasa HI, Rosales BS (eds.). Photocatalytic water splitting under visible Light: concept and materials requirements. Advances in Chemical Engineering. Vol. 36. pp. 111–143. doi:10.1016/S0065-2377(09)00404-9. ISBN 9780123747631.
  15. ^ Lin LH, Wang PL, Rumble D, Lippmann-Pipke J, Boice E, Pratt LM, et al. (2006). "Long-Term Sustainability of a High-Energy, Low-Diversity Crustal Biome". Science. 314 (5798): 479–82. Bibcode:2006Sci...314..479L. doi:10.1126/science.1127376. PMID 17053150. S2CID 22420345.
  16. ^ Funk JE (2001). "Thermochemical hydrogen production: past and present". International Journal of Hydrogen Energy. 26 (3): 185–190. doi:10.1016/S0360-3199(00)00062-8.
  17. ^ {{cite 저널 vauthors=Kostov MK, Santiso EE, George AM, Gubbins KE, Nardelli MB year=2005 title=불량 탄소 기질에 대한 물의 dissoc 저널=Physical Review Letters volume=95호=13페이지=136105 bibcode=2005PhRvL..95m6105K doi=10.1103/PhysRevLett.95.136105 pmid=16197155
  18. ^ Yildiz B, Petri MC, Conzelmann G, Forsberg C (2005). "Configuration and Technology Implications of Potential Nuclear Hydrogen System Applications" (PDF). Argonne National Laboratory. University of Chicago. Archived from the original (PDF) on 27 Sep 2007. Retrieved 3 Mar 2010.
  19. ^ Naterer GF, Suppiah S, Lewis M, Gabriel K, Dincer I, Rosen MA, et al. (2009). "Recent Canadian Advances in Nuclear-Based Hydrogen Production and the Thermochemical Cu-Cl Cycle". International Journal of Hydrogen Energy. 34 (7): 2901–2917. doi:10.1016/j.ijhydene.2009.01.090.
  20. ^ Bürkle D, Roeb M (2008). "DLR scientists achieve solar hydrogen production in a 100-kilowatt pilotplant" (PDF). DLR - German Aerospace Center. Archived from the original on 4 Jun 2011.
  21. ^ "H2 Power Systems". Archived from the original on 4 Mar 2012.
  22. ^ Weimer A (2006). "Development of Solar-powered Thermochemical Production of Hydrogen from Water" (PDF). DOE Hydrogen Program.
  23. ^ a b Weimer A (2005). "Development of Solar-powered Thermochemical Production of Hydrogen from Water" (PDF). DOE Hydrogen Program.

외부 링크