[그림 1] Journal of Materials Chemistry A 2025년 2월 표지 논문
f
수전해 시스템을 이용한 톨루엔 직접 전기 수소화 기술의 장점
수전해 시스템을 이용한 톨루엔 직접 전기 수소화 기술의 장
▶ 기존의 톨루엔 수소화 기술 : 2 단계 반응 및 더 높은 에너지(1.23V)를 요구
•
1 단계 : 물을 전기로 쪼개서 수소를 만든다.
•
2 단계 : 만든 수소를 톨루엔과 반응시켜 메틸사이클로헥산(수소가 저장된 상태)으로 변환한다.
▶ 톨루엔 직접 전기 수소화 반응 1단계 반응 및 에너지 절약(1.08V)
•
1 단계 : 양극에서 물을 전기로 쪼개면서 음극에서 동시에 톨루엔을 메틸사이클로헥산으로 변환한다.
f
톨루엔 수소화 반응 및 톨루엔의 양극 침투
톨루엔 수소화 반응 및 톨루엔의 양극 침
양극으로 넘어간 톨루엔
↓
산소 발생 촉매를 오염
(전자 생성 및 전해질막을 통한 H+ 전달 억제
)
↓
톨루엔 수소화 반응 악화
< 톨루엔 수소화 반응 >
(
정상) 톨루엔은 음극에 머물면서 수소를 저장할 때 쓰임
(
문제) 음극과 양극 사이에 위치한 전해질막 성능 낮으면
톨루엔이 양극으로 넘어가 촉매 오염시켜, 물 → 수소/산소 분리 방해
→ 양극에서 생산되는 수소 이온 줄어들어 수소 저장 효율 하락
(
정상) 톨루엔은 음극에 머물면서 수소를 저장할 때 쓰임
(
문제) 음극과 양극 사이에 위치한 전해질막 성능 낮으면
톨루엔이 양극으로 넘어가 촉매 오염시켜, 물 → 수소/산소 분리 방
→ 양극에서 생산되는 수소 이온 줄어들어 수소 저장 효율 하
f
확산 셀을 이용한 전해질막을 통한 톨루엔 투과도 측정
확산 셀을 이용한 전해질막을 통한 톨루엔 투과도 측
확산 셀을 이용한 톨루엔 투과 능력 평가
SPAES
Nafion
f
친수성 도메인 간격 및 톨루엔 투과도 평가
Nafio
n
SPAE
S
넓은 친수성
도메인
좁은 친수성
도메인
Nafio
n
SPAE
S
수소 이온은 잘 통과시키고, 톨루엔은 통과하기 힘들도록
상용 소재(Nafion)보다 좁고 복잡한 구조의 미세통로 형성
톨루엔 투과
60%
감소
C C
x
F F
F
F
C C
F
F
F
O C C
F
F
CF3
F
z
y
O C C
F
F
S
F
F
O
O
OH
S
O
O
HO3S
SO3H
O
O
n
S
O
O
O
m
O
f
내구성 테스트 후 Nafion(상용막)과 SPAES(화학연막)의 양극 촉매의 저항 변화
내구성 테스트 후 Nafion(상용막)과 SPAES(화학연막)의 양극 촉매의 저항 변화
SPAES
(화학연 전해질막)
Nafion
(상용 전해질막)
< 전해질막을 통한 톨루엔 침투 >
< 내구성 테스트 후 양극의 저항 변
화
>
S
P
A
E
S
N
a
fi
o
n
내구성 테스트 후
내구성 테스트 후
내구성 테스트 전
내구성 테스트 전
톨루엔의 양극 침투
IrO
2 kinetic resistance (mΩ)
촉매 성능 크게
나빠짐
톨루엔 침투 드물어
, 양극 촉매 오염 적음
촉매 성능 대체로
유지
톨루엔 침투 많아
, 양극 촉매 오염 많이 됨
f
내구성 테스트 동안의 성능 변화 및 톨루엔 수소화 효율 비교
내구성 테스트 동안의 성능 변화 및 톨루엔 수소화 효율 비교
톨루엔
톨루엔이 스며들며
양극 촉매가 망가져
성능이 떨어지는 모식도
SPAES
전해질막의 우수한 성능 안정성 및 높은 효율
톨루엔 투과 모식도
SPAES
(안정적 성능
유지
)
Nafion (성능이 급격히 악화)
SPAES
Nafion
탄화수소계 소재인
SPAES 전해질막을 톨루엔 수소화 전해조에 적용한 결과,
톨루엔 투과가
60% 이상 줄어들어
안정적인 성능 유지 확보 및 메틸사이클로헥산
(MCH) Faraday 효율 상승
탄화수소계 소재인
SPAES 전해질막을 톨루엔 수소화 전해조에 적용한 결과
톨루엔 투과가
60% 이상 줄어들어
안정적인 성능 유지 확보 및 메틸사이클로헥산
(MCH) Faraday 효율 상승
[그림 7] 주요 연구진 사진 (앞에서부터 시계방향으로 화학연 이창진 학생연구원(1저자), 소순용 책임연구원(교신저자),
유덕만 책임연구원
(교신저자))
[그림 8] 이창진 학생연구원(1저자)이 SPAES 소재 분리막을 보여주고 있다
[그림 9] 이창진 학생연구원(1저자)이 수소 저장 효율을 측정하고 있다
[그림 10] 이창진 학생연구원(1저자)이 수소 저장 효율을 측정하고 있다
