에너지/환경

저장대학, 새 촉매 개발로 수소제조 원가를 80% 절감

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최근, 저장(浙江)대학 화학공학·생물공학학원 허우양(侯陽) 프로젝트팀은 고분산 니켈 단일원자를 질소-황 도핑 다공성 나노탄소 기질에 "정착"시키는 방법을 통하여 단일원자 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction, OER) 촉매를 설계·개발함으로써 고효율적인 전기/광전기 촉매작용에 의한 물분해 산소 발생 반응을 달성함과 아울러 수소 제조 효율을 향상시켰다. 해당 새 촉매는 수소 제조 원가를 80% 절감시킬 수 있을 뿐만 아니라 OER 반응의 안정성을 대폭 향상시킬 수 있다. 해당 연구성과는 "Nature Communications"에 온라인으로 게재되었다. 물분해에 의한 산소 발생을 통한 수소 제조는 가장 일반적인 수소 제조 방법이다. 해당 과정에서 발생하는 전기/광전기 촉매작용 OER 반응은 전체적인 에너지 전환 효율을 제한한다. 기존에 금속 이리듐을 촉매로 반응 효율을 향상시키는 방법을 연구하였지만 원가가 아주 높다. 그러므로 촉매작용 효과를 보증하고 원가가 낮은 촉매 개발은 학술계의 어려움으로 되고 있다. 프로젝트팀은 생체공학적 방법을 통하여 재료의 원자 구조를 분석하였다. 분석 결과, 엽록체에 금속-질소 배위 포르피린 구조가 존재하여 태양에너지를 수집할 수 있기에 광합성의 산화반응을 이용하여 물을 분해함과 아울러 산소를 발생함을 발견하였다. 프로젝트팀은 또한 분석을 통하여 니켈-질소 배위 도핑된 탄소재료를 발견하였다. 해당 특수한 구조에서 4개 질소 원자는 금속 니켈 원자를 "끌어당기"고 하이드록시기 이온을 흡착하기에 다양한 중간 절차의 전환 어려움을 감소시킴과 아울러 산소 발생을 가속화시킨다. 프로젝트팀은 독창적으로 1개 황 단일원자로 1개 질소 원자를 치환시켜 재료 표면의 전하 분포를 심층적으로 최적화함과 아울러 특수 공법을 이용하여 니켈-질소 재료를 탄소 기질에 "정착"시켜 재료의 불안정성을 개선시킴으로써 최종적으로 해당 새 촉매 전극이 알칼리성 조건에서 뛰어난 전기 촉매작용에 의한 물분해 산소 발생 활성 및 안정성을 나타냈다. OER 산소 발생 반응은 물분해 소자 및 금속-공기 배터리의 핵심 과정이다. 해당 연구성과는 차세대 수소연료자동차의 대규모적 연료 원가절감에 도움이 될 전망이다.

베이징대, 광물의 "광합성" 발견

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최근 베이징대학 지구ㆍ공간과학학원 루안화이(魯安懷) 연구팀은 해빛에 노출된 지표 무기광물도 태양광을 흡수해 태양에너지로 전환시키는 광물의 "광합성"을 발견했다. 해당 연구성과는 "PNAS"에 온라인으로 게재되었다. 연구팀은 중국 북부지역 고비사막/사막 및 남부지역 카르스트/적색토 등 전형적 지형의 암석·토양 샘플에 대한 체계적인 측정분석을 통해 태양광에 직접적으로 노출된 암석·토양과립 표면은 대체적으로 한 층의 검은색 "광물막"으로 피복되었음을 발견했다. "광물막"의 두께는 수십 nm에서 수백 미크론 사이였으며 버네사이트(birnessite), 침철광, 적철광 등 천연 반도체광물을 풍부히 함유한 "막"상 구조 특성을 나타냈다. "광물막" 형성 특성 및 발달 상황은 일조와 밀접한 연관이 있었다. 예를 들어 망간을 풍부히 함유한 광물은 태양광이 비추는 적토광물 과립, 카르스트 및 고비사막 암석의 정면에서만 "광물막"을 형성했다. 뿐만 아니라 지구 육지시스템에서 망간함유 "광물막"의 분포는 태양광 강복사 지역의 분포와 일치했다.

중국과기대, 이산화탄소에서 메탄올로의 고효율 전환 촉매 개발

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최근 중국과학기술대학 쩡제(曾傑) 연구팀은 중국과학원 상하이싱크로트론방사광원 쓰루이(司銳) 연구원과 공동으로 이산화탄소를 순도가 90% 이상인 메탄올로 고효율적으로 전환시킬 수 있는 일종의 신형 백금 단일 원자 촉매를 개발했다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 게재되었다. 이산화탄소 수소화반응 후의 생성물은 복잡한데 메탄올일 수도 있고 일산화탄소, 포름산 심지어 또 다른 온실가스 메탄일 수도 있다. 관련 연구는 최근 과학계의 기술적 어려움으로 남아있다. 공동 연구팀은 금속유기프레임에 담지시키는 일종의 백금 단일 원자 촉매를 개발했다. 해당 촉매로 촉매시킨 이산화탄소 수소화 산물에서 메탄올의 순도는 90.3%에 달하며 기타 성분이 차지하는 비율은 10%도 안 된다. 해당 성과는 배출감소 및 신에너지개발에 중요한 의미가 있다.

상하이응용물리연구소, 해수 우라늄 채취 핵심 기술 파악

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최근, 중국과학원 상하이응용물리연구소 연구팀은 해수 우라늄 채취 핵심 기술을 파악했다. 해당 연구성과는 "Energy & Environmental Science"에 게재되었다. 해수 중의 우라늄은 중요한 비일반적인 우라늄 자원으로서 저장량이 약 45억t에 달하는데 이는 육지 우라늄광 저장량의 1,000배에 달한다. 만약 해수 중의 우라늄을 경제적이고도 효과적으로 채취할 수 있다면 중국의 원자력 발전 사업 및 핵역량의 안정한 추진에 주요한 보충 및 보장을 제공할 수 있다. 연구팀은 재료 구조 설계를 통하여 고비표면적 다공극 구조의 아미독심기 고분자 섬유 흡착재를 성공적으로 획득하였다. 연구 결과, 해당 규칙적 다공극 구조는 실제 해수 중에서 재료의 흡착용량을 최초로 한 자릿수 수량급을 초과시켰다. 아울러 구조 효과는 전통적인 아미독심기 재료가 우라늄, 바나듐에 대한 선택성이 낮은 현황을 개변시켰다. 해당 재료는 고분자 골격 구조 특성을 보유하고 있기에 역학적 강도가 높고 구조 및 화학적 안정성이 강하며 적어도 10라운드 이상 재사용할 수 있기에 해수 중 우라늄 추출 산업에서의 흡착재에 대한 요구에 도달할 수 있다. 해당 성과는 해수 우라늄 채취 연구에 새 아이디어를 제공함과 아울러 해양에서 핵연료를 채취하는 새 방법을 개척했다.

상하이규산염연구소, 높은 인듐 함량의 삼성분 광전결정 획득

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최근 중국과학원 상하이규산염연구소 위젠딩(餘建定) 연구팀은 세계 최초로 인듐 함량이 11%에 달하고 성분 분포가 균일하며 일치한 InxGa1-xSb 삼성분 광전결정을 획득했다. 해당 연구는 중국이 2016년 4월에 발사한 미세중력과학실험위성—"스젠(實踐) 10호" 귀환식 과학위성에서 진행되었다. 해당 연구성과는 "npj Microgravity"에 게재되었다. 광전결정이란 빛에너지를 전기에너지로 전환하는 결정을 말한다. 인듐, 갈륨, 안티몬 원소를 주로 함유하는 InxGa1-xSb 삼성분 광전결정은 주요 적외선 광전장치 재료일 뿐만 아니라 고효율적 열광전발전 결정재료이기도 하다. 일상생활에서 도시쓰레기 소각시 열에너지가 발생되는데 그 방사열을 전기에너지로 전환시킬 수 있다면 친환경적이고도 경제적이다. 이를 위해서는 열광전발전 시스템이 필요하다. 열광전발전 시스템은 열광전발전기술—적외선 광발전 에너지전환기술에 기반하며 열원, 열방사체, 광학필터, 열광전지 등 4개 기본 부품으로 구성된다. 해당 시스템의 핵심부품인 열광전지는 열방사체가 방출하는 광자에너지를 효과적으로 이용할 수 있는데 광전전환 과정을 통해 전기에너지를 생성한다. InxGa1-xSb 삼성분 광전결정은 최적의 고효율 열광발전 전지 반도체 재료이다. 연구팀은 인듐과 갈륨의 구성비를 변화시키는 방법으로 밴드갭을 조절함으로써 다양한 스펙트럼의 방사에너지를 충분히 흡수함과 아울러 높은 열광발전 전환효율을 달성했다. 쓰레기 소각시 다양한 파장의 스펙트럼이 방출되는데 삼성분 광전결정의 인듐 함량이 약 11%에 도달시 최대 범위에서 상기 스펙트럼을 흡수할 수 있다. InxGa1-xSb 삼성분 광전결정의 고체액체 선분리는 비교적 넓고 지구중력대류의 작용에 의해 쉽게 성분 편석(segregation)을 발생하기에 현재 지상에서 인듐함량이 3%인 InxGa1-xSb 삼성분 광전결정 밖에 성장시킬 수 없다. 이는 열광발전 시스템에서의 응용을 제한한다. 다년간 국내외에서 일련의 InxGa1-xSb 결정 우주 성장 실험을 수행했지만 인듐 함량이 높은 InxGa1-xSb 삼성분 광전결정은 제조하지 못했다. 연구팀은 일본우주과학연구소와 공동으로 3년간 지상 매칭 실험 후 우주 결정성장 실험을 수행했다. 연구팀은 우주 결정 성장을 위해 맞춤형 내충격 성장 앰풀(growth ampoule)을 설계해 로켓 발사시의 가속도를 견뎌냈다. 또한 전자현미경, 전자탐침, 전자후방산란회절기 등 설비를 사용해 성장시킨 결정을 체계적으로 분석했다. 최종적으로 우주 미세중력 조건에서 인듐 함량이 높고 성분 분포가 균일하며 일치한 InxGa1-xSb(x=0.11) 삼성분 광전결정을 획득했음을 확인했다. 향후 연구팀은 우주 파라미터를 이용해 우주 성장의 메커니즘을 연구함과 아울러 지상에서 동일 농도 인듐 함량의 삼성분 광전결정을 제조해 응용전환의 원가를 절감할 계획이다.

세계 첫 최대 규모 무배출 지능화 무수염색 시범 생산라인 구축

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최근, 칭다오(青島)지파(即發)그룹은 세계 첫 최대 규모 지능화 무수염색 시범 생산라인을 구축하였다. 이는 중국이 무수염색 공법 기술의 성숙과 더불어 산업화에서 획기적인 발전을 이루었음을 의미한다. 중국의 방직 폐수 연간 배출량은 25억 t[약 230개 시후(西湖) 물의 양에 해당]에 달하는데 그 중에서 날염 폐수 배출량이 20억 t에 달한다. 전통적인 날염의 수자원에 대한 의존 및 폐수 배출량으로 인한 환경문제는 직물염색 산업의 지속적 발전을 제한하고 있다. 산업의 지속적 발전을 위해 물 사용량을 줄이거나 또는 물을 사용하지 않는 염색기술 개발이 시급하다. 2014년, 지파그룹은 산학연 협력을 통하여 방직용 폴리에스터 재료 초임계 CO2 무수염색 기술의 산업화 연구 및 응용 프로젝트를 가동함과 아울러 지속적인 무수염색 기술 개선을 통하여 설비, 공법, 검측 등 산업화 생산에 영향을 미치는 핵심 기술 및 전용 부품의 핵심 기술을 파악하였다. 초임계 유체의 반액체-기체 상태를 이용하여 염료를 용해시킬 수 있을 뿐만 아니라 쉽게 직물 내부에 침투시켜 염료용해-흡착-염색 공법 프로세스를 완성할 수 있기에 전통적인 물을 이용한 염색 공법의 주요 단점을 해결할 수 있다. 또한 염색 주기를 수 시간에서 수십 분으로 단축시킴과 아울러 무배출, 친환경 및 고효율을 구현할 수 있다. 2017년, 지파그룹은 세계 첫 자체 지식재산권을 보유한 1,200L 무수염색 산업화 시범 생산라인을 구축함과 아울러 설비의 지속적 정상 운전을 구현하였으며 이미 30여 건 특허를 출원하였다. 방직용 폴리에스터 재료 초임계 CO2 무수염색 기술 산업화 프로젝트의 이행은 중국이 중점적으로 지원하는 첨단기술 분야로서 절약형 사회 구축, 자원절약형 및 친환경 기업 구축을 추진하고 고효율, 에너지절약, 친환경, 순환형 새 제조 공법 및 장비의 대폭 발전에 적극적인 추진 역할을 일으킬 전망이다.

항공우주정보연구원, 첫 글로벌 고해상도 미세입자 에어로졸 분포도 획득

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최근 중국과학원 항공우주정보연구원은 가오펀(高分) 5호 위성에 탑재된 다각도 편광 이미징 장치(DPC)에 기반해 첫 글로벌 3.3km 공간 규모의 미세입자 에어로졸 광학적 두께(AODf) 분포도를 획득했다. 이는 현재 세계에서 공간해상도가 가장 높은 AODf 원격관측 데이터세트로서 대기 주요 오염성분(PM2.5)의 공간적 정보 획득에 핵심적 기초제품을 제공할 수 있다. DPC는 글로벌 대기 오염상황 쾌속 모니터링을 위해 우주원격관측 데이터를 제공할 수 있다. 또한 획득한 에어로졸 파라미터는 대기 미세입자 오염물의 분포, 유래, 성분, 수송 등 정보를 모니터링하는데 이용할 수 있다. 세계적 범위에서 DPC가 획득한 AODf 값이 높은 지역은 전세계 주요 공기오염 지역의 공간적 분포와 비교적 일치했고 AODf값이 낮은 지역은 주로 북아메리카, 유럽, 호주 등 대기 청정 지역에 분포되었다. 이번에 획득한 AODf 데이터는 현재 세계에서 공간해상도가 가장 높은 미세입자 에어로졸 광학적 두께 관련 위성 원격관측 제품으로서 국제 동일 유형의 위성(프랑스 POLDER/PARASOL) 데이터 제품에 비해 약 6배 향상되었다. 구체적으로 오염 분포의 국지적 세부 특징을 또렷이 구현할 수 있을 뿐만 아니라 지역 오염 세밀화 관리, 중점 도시 오염 수송경로 모니터링, 오염원 추적 등 환경보호 업무에 높은 공간해상도 원격관측 데이터를 제공할 수 있다. 현재 유일하게 궤도상에서 운영되고 있는 위성탑재 다각도 편광 이미징 지구관측 센서인 DPC는 지구 대기 미세입자 에어로졸 함량 변화를 지속적으로 모니터링할 수 있다. 또한 환경생태, 기후변화 등 분야에서 필수적인 글로벌 대기 미세입자 에어로졸 위성 센서 어레이를 응용하였다. 비교적 긴 기간 내(2018년 대비 2011년) 전세계 중점 지역 AODf 비교에서 중국 동부 지역의 오염 정도는 2011년의 피크 상황에 비해 현저하게 개선되었는데 특히 동남연해 지역에서 크게 감소했다. 하지만 중국 북방 지역의 미세입자 에어로졸 함량은 여전히 높게 나타났는바 심층적 관리 및 개선이 필요하다. 이에 비해 또 하나의 세계 중점 오염지역인 인도는 뚜렷한 오염 증가 추세를 보였는데 이는 인도의 농업 배출 증가 등 인위적 활동이 심해지고 있음을 반영한다. 이외, 위성 원격관측 AODf와 PM2.5 농도와의 상관성은 양호한 것으로 나타났는데 이는 편광 센서가 대기 오염 미세입자 PM2.5 정량적 추산에 잠재적 응용가치가 있음을 설명한다.

중국과기대, 물 전기분해과정에서 저원가 고효율 산소 발생 촉매 개발

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최근, 중국과기대 우위언(吳宇恩) 연구팀은 새 혁신공법으로 산소 발생 촉매를 개발하여 물 전기분해에 의한 수소 제조의 산업화 추진에 중요한 성과를 얻었다. 해당 연구성과는 "Nature Catalysis" 앞표지 문장으로 선정되었다. "궁극적 에너지"인 수소에너지 시장화에서의 핵심 부분은 고효율 저원가 수소 제조이다. 그 중에서 물 전기분해는 가장 유망한 수소 제조 방법이다. 그러나 물 전기분해 과정에 필요한 고효율 저원가 산소 발생 촉매 개발이 가장 큰 어려움으로 되고 있으며 "비백금 산소 환원 촉매 개발"과 함께 수소에너지 고효율 이용 분야의 2개 난제로 되었다. 이산화이리듐은 산소 발생과정에서 일반적으로 사용하는 상업용 촉매이다. 그러나 비싼 가격의 이리듐은 고에너지, 친환경, 저원가 수소 에너지 보급을 제한하고 있다. 루테늄은 매장량이 풍부하고 가격이 저렴하기에 산업에 이용될 경우 수소 제조 원가를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 그러나 강산성, 강산화성 환경 조건에서 이산화루테늄은 고전위 작용에 의해 사산화루테늄으로 쉽게 산화되어 촉매 활성이 상실된다. 따라서 고활성 및 고안정성 루테늄 단원자 촉매 개발은 상기 문제점을 해결하는 가장 잠재적인 경로이다. 루테늄 기반 촉매의 산성 조건에서 산소 발생 안정성 구현은 세계적 어려움으로 되고 있다. 물 전기분해에 의한 고효율 저원가 수소제조를 구현하기 위해 연구팀은 항산화 능력 및 항용해 능력이 강한 백금 기반 합금을 담체로 하고 표면 결함 공학 기술을 이용한 단원자 포획 및 안정 방법을 통하여 루테늄 단원자 합금 촉매를 제조하였다. 해당 루테늄 단원자 합금 촉매는 상업용 루테늄 촉매에 비하여 과전위가 약 30% 감소되고 안정성이 약 10배 향상되었다. 해당 연구성과는 단원자 루테늄을 안정한 합금 담체에 삽입하여 고효율 촉매를 제조하였을 뿐만 아니라 금속/합금 담체를 이용하여 단원자 전자 구조를 제어하는 전략을 구현함으로써 기타 반응 시스템에도 응용될 전망이다.

다롄화학물리연구소, 전기물분해 수소생산용 장수명 염가 촉매 개발

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최근 중국과학원 다롄화학물리연구소 한훙셴(韓洪憲)/리찬(李燦) 연구팀은 일본 이화학연구소(RIKEN)와 공동으로 일종의 강산성 조건에서 장수명 전기촉매 물분해가 가능한 염가 전기화학적 촉매를 개발해 대규모 재생에너지 활용 수소생산 기술에 응용될 전망이다. 해당 성과는 "Angewandte Chemie International Edition"에 게재되었다. 태양에너지를 "태양연료"(속칭 "액체햇빛")로 전환시키는 것은 미래 화석연료 고갈 및 기후변화에 대응하기 위한 주요 재생에너지 전략이다. 최근에 태양에너지 등 재생에너지 발전은 점차 대규모적인 발전 기술로 자리매김하고 있다. 태양광 발전 구동형 물분해 수소생산은 현재 가장 유망한 대규모 재생에너지 수소생산 기술이다. 다양한 전기물분해 기술에서 양성자 교환막 전기물분해 기술이 광범위한 관심을 받고 있지만 해당 기술은 강산성 조건에서 작동하기에 대부분 촉매는 불안정적이다. 현재 귀금속 이리듐(Ir)만이 양성자 교환 전기물분해의 산성 환경에서 안정적으로 작동할 수 있는데 이는 PEM 전기물분해 기술의 대규모 응용을 크게 제한하고 있다. 따라서 귀금속을 대체할 수 있는 염가의 고효율적이고 안정적인 전기물분해 촉매를 개발하는 것은 대규모 저원가 PEM 전기물분해 수소생산 기술 개발의 핵심이다. 장기간 광촉매/광전기촉매/전기촉매 물분해 수소생산 기술 연구 및 촉매 개발 과정에서 연구팀은 강산성 조건에서 γ-MnO2가 특수 전위창(Potential window) 범위에서 안정적으로 전기촉매 물분해를 구현할 수 있음을 발견함과 아울러 8,000여 시간의 장수명 전기촉매 물분해를 달성했다. 이외 공동연구팀은 원위치 분광전기화학 등 방법을 사용해 강산성 조건에서의 전기촉매 물분해 반응 메커니즘을 체계적으로 연구했다. 연구팀은 비귀금속 전기촉매가 강산성 조건에서 장수명 물분해가 가능함을 규명함으로써 염가의 안정적이고 고효율적인 물분해 수소생산 촉매 개발에 새 아이디어를 제공함과 아울러 청정에너지 개발·이용을 촉진할 전망이다.

쓰촨분지에서 1,000억 ㎥급 셰일가스전 발견

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최근 중국석유화공그룹(Sinopec)은 쓰촨분지 셰일가스 탐사에서 중대한 성과를 거두었다. 1) 웨이룽[웨이위안(威遠) 룽현(榮縣)] 셰일가스전의 확인매장량은 1,247억 ㎥에 달하고 2019년에 10억 ㎥ 생산능력을 확보할 예정이다. 2) 딩산(丁山)—둥시(東溪) 지괴(block)에서 중국 최초의 지하 4,200m 이하 고생산성 셰일가스정—둥예선(東頁深) 1호정을 시추해 일당 31만 ㎥ 고생산성 가스채취 시험에 성공함과 아울러 매장깊이가 4,000m를 초과하는 셰일가스정 파쇄 공정기술을 파악했다. 상기 셰일가스 탐사대상은 주로 쓰촨 남부지역과 충칭 서부지역에 분포되었는데 총면적은 거의 20,000㎢에 달하고 잠재자원이 풍부하다. 그중 쓰촨성 네이장시(內江市)와 쯔궁시(自貢市) 경내에 위치한 웨이룽 셰일가스전의 2018년 확인매장량은 1,247억 ㎥에 달한다. 이는 심부 셰일가스 영역에서 거둔 중요 성과이다. 일전에 동 가스전의 웨이예(威頁) 43-5HF정은 지하 5,610m까지 순조롭게 시추했고 저류층도달 성공률은 100%에 달했다. 현재 웨이룽 셰일가스전 1기 생산능력 확보작업이 전면적으로 개시되었다. 동 지역에서 시추 중인 가스정은 44개이고 시추완료 가스정은 12개이다. 현재 파이프라인 핵심 공사, 35㎸ 전력공급 공사, 현장 도로 기반 공사 등 중점 프로젝트도 진행 중에 있다. 딩산—둥시 지괴에서 시험적 시추 중인 둥예선 1호 셰일가스정은 4,270m 깊이의 양질 셰일가스층에서 일당 31만 ㎥ 고생산성 가스채취에 성공했다. 이는 중국 첫 4,200m 이하 깊이의 고생산성 셰일가스정이다. 아울러 매장깊이가 4,000m를 초과하는 셰일가스정 파쇄 공정기술을 파악함으로써 심부 셰일가스 대규모 상업화 개발을 위해 기술적 기반을 마련했다. 한편 동 지괴의 딩예(丁頁) 4,5호 가스정은 4,000m 깊이 양질 셰일가스층에서 각각 일당 20만 ㎥와 16만 ㎥ 가스채취에 성공했다. 이로써 딩산구조 우펑(五峰)층—룽마시(龍馬溪)층 셰일가스층의 고압 및 부가스(rich gas) 특성을 입증했다. 상업화 개발 잠재력이 큰 해당 셰일가스층은 푸링(涪陵), 웨이룽 셰일가스전 다음으로 발견된 또 하나의 1,000억 ㎥급 셰일가스 비축·생산 기지이다.