획기적인 발전으로 가스 분할 및 저장이 갑자기 쉬워졌습니다.

2022년 7월 15일

Ellen Phiddian은 Cosmos의 과학 저널리스트입니다. 그녀는 호주 국립대학교에서 화학 및 과학 커뮤니케이션 학사 학위와 과학 커뮤니케이션 석사 학위를 취득했습니다.

풍선을 묶어 본 사람이라면 가스를 저장하는 것이 얼마나 어려운지 압니다. 대규모로 수행하려면 훨씬 더 많은 에너지와 노력이 필요하며 이는 에너지 산업에 종사하는 많은 사람들을 심각하게 괴롭히고 있습니다. 수소 연료와 탄소 포집의 출현은 이 문제를 더욱 두드러지게 만들 뿐입니다.

더욱 까다로운 것은 화석 연료 채굴 및 정제에서 배출되는 다양한 탄소 기반 가스와 같은 가스 혼합물을 분리하는 것입니다. 분리 및 저장을 위해 업계에서는 일반적으로 가스가 액체가 될 때까지 냉각 가스에 의존하는데, 이는 에너지와 자원 집약적인 공정입니다.

그러나 호주 연구자들의 획기적인 발전으로 이러한 상황이 바뀔 수 있습니다. 그들의 방법은 실온과 압력에서 작동하며 약간의 질화붕소와 ​​일부 볼 베어링만 필요합니다.

지금까지 연구자들은 메탄이나 아세틸렌과 같은 다양한 유형의 탄화수소 가스를 분리하여 깨끗하고 효율적으로 저장할 수 있음을 보여주었습니다. 수소나 이산화탄소에도 효과가 있을 수 있습니다.

이 기술은 (놀랍지도 않게) 붕소와 질소로 구성된 질화붕소라는 화합물을 사용합니다. 질화붕소 분말은 관심 가스와 함께 회전 분쇄기인 볼밀에 넣습니다.

Deakin University's Institute for Frontier Materials의 연구원인 Srikanth Mateti 박사는 “이 탄화수소를 질화붕소에 처음 넣었을 때 가스가 완전히 사라졌습니다.”라고 말했습니다.

결과가 너무 이상해서 Mateti와 동료들은 그것이 실수가 아니라는 것을 확신하기까지 여러 번 반복해야 했습니다.

“그런 다음 우리는 그것을 20, 30번이나 다시 시도했습니다. 왜 이런 일이 일어났나요? 실험이었던 걸까요, 아니면 가스 누출이 있었던 걸까요, 잘 밀봉되지 않은 걸까요? 우리는 모든 매개변수를 조정했지만 여전히 동일하게 작동했습니다.”

연구자들은 질화붕소가 일부 가스와 매우 잘 결합할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 이것이 결합하는 가스는 "올레핀"과 "알킨"이라고 불리는 화합물 종류입니다. 일반적인 연료인 아세틸렌은 알킨의 일종입니다.

그들은 이에 대한 화학적 이유를 알아낼 수 있었습니다.

Mateti는 “질소의 전자 구성과 특정 가스 분자의 구성이 일치합니다.”라고 말했습니다.

질화붕소와 ​​볼밀 그라인더의 조합은 올레핀과 알킨 가스를 분말에 흡수하는 기계화학적 반응을 생성합니다. 그러나 메탄과 같은 다른 가스는 무시합니다.

이는 화학적으로 매우 유사한 메탄과 아세틸렌의 혼합물이 쉽게 분리될 수 있음을 의미합니다. 이는 또한 아세틸렌이 분말 형태로 이곳저곳으로 안전하게 운송될 수 있음을 의미합니다.

분말을 진공 상태에서 가열하면 다시 가스가 방출됩니다.

질화붕소 분말은 재사용이 가능합니다. 전체 프로세스는 1,000리터의 가스를 저장하는 데 초당 약 80킬로줄만 사용하여 매우 에너지 효율적입니다.

연구원들은 이것이 아세틸렌과 에틸렌에 대해 작동한다는 것을 입증했지만, 수소나 이산화탄소와 같은 다른 가스를 저장하는데도 적용될 수 있다고 확신합니다.

Mateti는 “우리는 그 문제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다.”라고 말했습니다.

그는 이 시스템이 연료 전지에 사용되기 전에 수소에서 탄소 불순물을 분리하고 제거하는 데에도 효과가 있을 것이라고 말했습니다. “수소가 순수하지 않으면 연료전지가 파괴될 것입니다. 따라서 일종의 정화 시스템이 필요합니다. 우리 것을 사용하면 됩니다.”

연구원들은 실험실에서 몇 리터의 가스를 쉽게 분리할 수 있었습니다. 일반적인 산업 방식을 사용하기 때문에 규모 확장이 용이한 공정이어야 한다.

Mateti는 "우리는 요리 레시피와 같은 몇 가지 매개변수를 최적화하면 됩니다."라고 말합니다. "가스 함량, 필요한 재료의 양, 볼 밀링의 양 등이 중요합니다."

그들은 해당 프로세스에 대한 임시 특허 신청서를 제출했으며 이를 산업 규모로 시험해 볼 계획입니다.

그들의 발견을 기술한 논문은 Materials Today에 게재되었습니다.