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- 거의 재활용되지 않은 마그네슘을 재사용
- 수소화마그네슘이 다량의 수소가스 결합
- 수소가스 수송과 연료보급에 용이

고철에서 수소 저장
산업에서 남은 마그네슘은 수소 가스를 컴팩트하고 가역적인 방식으로 저장가능

에너지 전환을 위한 재활용:
과학자들은 산업에서 발생하는 산업 금속 폐기물을 화학적 수소 저장으로 전환하는 방법을 개발했다. 이것은 두 가지 이점이 있다. 거의 재활용되지 않은 마그네슘은 이러한 방식으로 재사용되며, 동시에 이로부터 생성된 수소화마그네슘은 다량의 수소 가스를 결합할 수 있어 가스의 수송이나 선박의 수소 연료 보급 등을 용이하게 할 수 있다. 

▲ 가연성 가스에서 소형 저장 장치까지: 금속 수소화물은 수소 저장 장치 역할을 할 수 있다. © Hereon / Christian Schmid

수소는 에너지 전환의 일부로 점점 더 중요해지고 있다.
가스는 연소될 때 CO2를 생성하지 않으며 녹색 전기를 사용하는 전기분해에 의해 물에서 얻을 수 있다. 연료 및 화학 공급 원료로서 운송, 철강 및 기타 산업 분야에서 배출량을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 그러나 이를 위해서는 수소를 가능한 한 안전하고 컴팩트하게 저장 및 운송할 수 있는 방법이 필요하다.

화학 가스 저장소로서의 금속 수소화물

금속 수소화물은 현재 이러한 수소 저장 매체로서 연구되고 있다. 즉, 수소와 알칼리 및 알칼리 토금속의 가역적 화합물이다. 이러한 고체는 높은 수소 저장 밀도를 달성하므로 부피와 안전성이 중요한 역할을 하는 모든 곳(예: 수소 충전소 또는 선박의 고정 저장)에 적합하다. 그러나 금속 수소화물의 분해 및 대규모 생산은 비용이 많이 들고 환경친화적이지 않다.

Maximilian Passing과 Geesthacht에 있는 Helmholtz Center Hereon의 동료들은 이제 대안을 제시했다. 그들은 고품질 금속 수소화물 수소 저장 탱크가 산업의 금속 폐기물에서도 생산될 수 있음을 보여준다. 특히, 예를 들어 다이 캐스팅 중에 발생하는 마그네슘 합금에 관한 것이다. "이러한 합금, 특히 알루미늄의 경우 여전히 재활용 방법이 없다"라고 연구원들은 설명했다.

따라서 이러한 금속 폐기물을 사용하면 두 가지 이점이 있다. 금속은 재활용되는 동시에 수소를 저장하고 수송하는 데 도움이 된다.

▲ 그림 1. 셋업이 설치된 오토클레이브 사진(왼쪽)과 분말이 들어 있는 주입구 사진(오른쪽) (출처: 관련논문 Development and experimental validation of kinetic models for the hydrogenation/dehydrogenation of Mg/Al based metal waste for energy storage / Journal of Magnesium and Alloys)

스크랩에서 보관 자재까지

그들의 실험에서 Passing과 그의 동료들은 금속 잔류물이 수소 저장 물질이 되는 방법과 그것이 얼마나 효율적인지를 보여준다. 이를 위해 초기에는 일반 마그네슘-알루미늄 스크랩을 칩 형태로 남겨두고, 일반적으로 스크랩 금속을 사용하듯이 미리 분쇄된 조잡한 조각을 오랫동안 남긴다. 그런 다음 그들은 재료를 산업 공장에 채우고 산소를 배제한 아르곤 분위기에서 미세 분말로 분쇄한다.

이것은 폐금속이 이미 수소 저장 매체로 사용될 준비가 되었음을 의미한다. 이를 위해 연구원들은 금속 분말로 채워진 스테인리스 스틸 용기에 13bar의 압력과 350도의 온도에서 수소 가스를 보냈다. 이러한 조건에서 금속은 수소 가스의 이원자 분자에서 결합의 파괴를 촉진하고 수소와 결합을 형성했다. 수소화마그네슘(MgH2)과 알루미늄이 형성된다.

▲ 그림 5. 순환식 Mg-Al 폐기물의 SEM 현미경 사진은 A) 느슨한 상단 부분과 B) 오토클레이브 하단의 소결된 부분이다.

효과적이고 빠름

테스트에서 알 수 있듯이 수소에 대한 수소화마그네슘의 흡수 용량은 5.8%이므로 스크랩에서 얻을 수 없는 순수한 금속 수소화물 범위 내에 있다. 또한 열역학적 및 운동적 특성이 유리하다. "마그네슘 기반 시스템은 약 10분 만에 저장 용량의 90%에 도달했다"라고 팀이 보고했다. 재료의 "급유"는 비교적 빠르다.

수소를 회수하기 위해 압력을 0.5~1bar로 낮춘다. 그런 다음 수소는 금속 수소화물에서 다시 방출된다. 이 작업도 몇 분 밖에 걸리지 않았다. 연구원들에 따르면 산업 폐기물의 금속 수소화물은 수소를 안전하고 컴팩트하게 저장하는 동시에 이전에 사용하지 않은 스크랩을 잘 활용하는 매력적인 솔루션이다.

순환경제 강화

공동 저자인 Claudio Pistidda는 "우리의 연구는 고성능 수소 저장 응용 분야를 위한 친환경 재료를 개발할 수 있는 새로운 길을 열어준다. "수소 저장 재료를 생산하기 위해 순환경제 접근 방식을 사용하면 보다 지속 가능한 방식으로 우리 시대의 에너지 문제를 해결할 수 있다.”
(Journal of Magnesium and Alloys, 2022; doi:10.1016/j.jma.2021.12.005)
출처: Helmholtz Center Hereon

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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