SOFC를 이용해 메틸사이클로헥산에서 직접 전기 생산

직접 생성은 MCH의 탈수소화 반응보다 낮은 에너지를 필요로 합니다.

일본 연구진이 기존 촉매 탈수소화 반응보다 에너지가 낮은 고체산화물 연료전지(SOFC)를 사용하여 유기 수소화물인 메틸사이클로헥산에서 직접 전기를 생산하는 데 성공했습니다.

수소를 활용한 연료전지 발전은 저탄소 사회 실현을 위한 핵심 기술 중 하나입니다. 풍부하고 다목적이며 연료로 사용하면 물만 배출합니다.

그러나 수소사회 확산을 위해서는 연료전지 개발 못지않게 수소 인프라 구축도 중요하다. 고압 수소 가스, 액체 수소, 암모니아, 포름산 및 유기 수소화물을 포함하여 현재 이 목적을 위해 연구되고 있는 다양한 수소 운반체가 있습니다.

특히, 유기수소화물 중 하나인 메틸사이클로헥산(MCH)은 수소를 안전하고 효율적으로 수송하고 저장할 수 있는 훌륭한 수소 운반체가 될 것으로 기대된다. 촉매 존재 하에서 MCH를 탈수소화하면 부산물로 수소와 톨루엔이 생성되고, 그 수소로부터 전기가 생산됩니다.

그러나 탈수소 반응은 흡열 반응이므로 회복 불가능한 에너지 손실과 반응에 필요한 시설이 문제이다.

최근 일본 와세다 대학 연구진은 SOFC를 이용해 메틸사이클로헥산에서 직접 전기를 생산하는 동시에 톨루엔을 회수해 재사용하는 데 성공했다. 이번 연구는 에너지 요구량을 줄일 뿐만 아니라 연료전지를 이용한 화학합성의 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대된다.

연구팀은 연료전지에서 흡열 반응인 유기 수소화물로부터의 탈수소화와 발열 반응인 전기 생성이라는 두 가지 과정을 동시에 수행하려고 시도했다. 이를 달성하기 위해 연구진은 고분자 전해질 연료전지보다 더 높은 온도에서 작동하는 양극 지지형 고체산화물 연료전지를 사용했습니다.

연구팀은 유기 수소화물의 열분해를 허용하지 않는 온도와 전극에 탄소 침착을 방지하는 조건에서 이를 작동할 수 있었습니다. 톨루엔과 벤젠의 생산비율은 94:6으로 상당한 성과를 거두었다고 보고하였다.

이러한 연구 결과는 SOFC가 MCH에서 직접 전자를 추출하고 SOFC의 산소 이온 전도 기능을 활용하여 전기를 생산하는 데 성공했음을 나타냅니다. 이 방법은 탈수소 시설이 필요 없고 기존 촉매를 이용한 MCH 탈수소화에 비해 더 적은 에너지로 전기를 생산할 수 있는 가능성을 보여줍니다.

“연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 고효율, 무탄소 전기를 생산하는 장치로 연구 개발되어 왔습니다. 본 연구에서는 이 장치를 유기 수소화물의 탈수소화 반응과 방향족 고리의 산소 치환 반응을 제어하는 ​​데 적용할 수 있음을 입증했습니다. 미래에는 연료전지를 적용해 새로운 합성화학이 탄생할 수도 있다”고 연구를 주도한 후쿠나가 아키히코(Akihiko Fukunaga) 교수는 결론지었다.

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