[영국] 태양광 발전 장치로 깨끗한 물·연료 생산 기술 개발

영국 캠브리지 대학에서만, 세계적으로 부패수·해수를 깨끗한 연료유·정제수로 반대할 수 있는 괜찮은 태양광 발전 장치 개발

모든 수원에서 작동…외부 전원이 필요하지 않기 때문에 제한적이며 캐시된 환경에서 유용하게 사용 가능

영국 케임브리지 대학 충돌은 세계 어디에서나 오염된 물이나 충돌을 순수하게 개조할 수 있는 풍선형 태양광 발전 장치를 개발했습니다. [사진출처(사진 출처) = 캠브리지대학(University of Cambridge)]

 

『네이처 워터(Nature Water)』 저널 최근호에 게재

세계적으로 반응하는 물이나 반응을 일으키지 않는 연료와 반대되는 수는 없습니다.

영국 캠브리지 대학(University of Cambridge)의 연구자들에 의해 개발된 이 장치는 모든 개방형 수원(open water source)에서 작동하고 외부 전력을 필요로 하지 않기 때문에 제한적으로 제한된 환경에서 유용할 수 있습니다.

그것은 식물이 햇빛을 산성으로 변환하는 광합성(광합성)에서 추출합니다. 그러나 IoT 수원에서 녹색 연료를 생산할 수 있는 이전 버전의 '인공 잎(인공 잎)'과 달리, 이 새로운 장치는 이어지는 물 또는 충돌의 수원에서 작동하며 동시에 세포 식수를 생성할 수 있습니다.

이 장치를 테스트한 결과가 높은 물, 심지어 캠 브리지 제공의 캠 강에서도 깨끗한 물을 생산할 수 있는 것으로 보입니다. 이 연구논문은 『네이처 워터(Nature Water)』 저널이 최근 호에 게재되었습니다.

이 연구논문의 공동저자 케임브리지대학 유수프 해미드 화학과(Yusuf Hamied Department)의 샤논 폰 드래곤그로이(Chanon Pornrungroj) 박사는 태양광 생산 연료과 정수를 하나의 장치에 통합하는 것은”이라고 말했다.

폰룽그로이 박사는 특히 “물 분자가 수소와 산소로 분해되는 태양열로 인한 물 분열은 어떤 오염물질도 촉매를 독살하거나 원치 않는 화학적 부작용을 일으킬 수 있기 때문에 완전히 순수한 물부터 시작해야 한다”고 강조했다.

또 공동저자인 아리핀 모하마드 아누아르(Ariffin Mohamad Annuar) 박사는 “상대적으로 깨끗한 물이 부족하고 정수에 필요한 기반시설을 쉽게 이용할 수 없는 외딴 지역이나 개발도상국에서는 물이 갈라지는 것이 매우 어렵다”라고 말했다.

아누아르 박사는 이어 “오염된 물을 이용해 작동할 수 있는 장치는 두 가지 문제를 한 번에 해결할 수 있었다. 깨끗한 연료를 만들기 위해 물을 쪼개는 것과 깨끗한 식수를 만들 수 있다는 것”이라고 덧붙였다.

[그림 1] 태양수 분할 및 정화를 위한 하이브리드 SVG-PC 시트의 구조

[그림출처(picture source) = 『네이처 워터(Nature Water)』 저널]

에르빈 레이스너(Erwin Reisner) 교수의 연구팀 멤버인 샤논 폰룽그로이(Chanon Pornrungroj)j와 아리핀 모하마드 아누아르(Ariffin Mohamad Annuar) 박사는 바로 그렇게 한 디자인을 고안했다. 그들은 빛과 열을 잘 흡수하는 나노 구조의 탄소 그물(nanostructured carbon mesh)에 광촉매를 증착하여 광촉매가 수소를 만드는 데 사용하는 수증기를 발생시킨다.

물을 밀어내기 위해 처리된 다공성 탄소 그물(porous carbon mesh)는 광촉매가 떠다니는 것을 돕는 동시에 아래 물에서 멀리 떨어져 오염물질이 기능을 방해하지 않도록 하는 역할을 했다.

게다가, 새로운 장치는 태양의 에너지를 더 많이 사용한다. “태양 연료를 만드는 빛을 이용한 과정은 태양 스펙트럼의 극히 일부만을 사용한다. 사용되지 않는 스펙트럼의 대부분이 있다”라고 모하메드 아누아르 박사는 말했다.

연구팀은 물 분해를 통한 수소 생산을 위해 부유식 장치 위에 흰색 자외선 흡수층( UV-absorbing)을 사용했다. 태양 스펙트럼의 나머지 빛은 장치 아래로 전달되어 물을 기화시킨다.

폰룽그로이 박사는 특히 “이 방법으로 우리는 빛을 더 잘 활용할 수 있다. 수소 생산을 위해 증기를 얻고 나머지는 수증기이다”라면서 “이렇게 하면 우리는 진정한 나뭇잎을 모방할 수 있다. 이제 우리는 증발 과정을 통합할 수 있게 되었기 때문이다”라고 강조했다.

태양 에너지만으로 깨끗한 연료와 깨끗한 물을 한번에 만들 수 있는 장치는 세계의 많은 지역이 직면하고 있는 에너지와 물 위기를 해결하는 데 도움을 줄 수 있다.

예를 들어, 세계보건기구(WHO)에 따르면 등유와 같은 ‘더러운(dirty)’ 연료로 요리하는 것으로 인한 실내 공기 오염은 매년 300만 명 이상의 사망 원인이라고 한다.

대신 녹색 수소로 요리하는 것이 그 숫자를 상당히 줄이는데 도움이 될 수 있다. 그리고 전세계 18억 명의 사람들은 아직도 집에 안전한 식수가 부족하다.

“이것은 매우 간단한 디자인이기도 하다. 몇 단계만 거치면 우리는 다양한 원천의 물 위에서도 잘 작동하는 장치를 만들 수 있다”라고 모하메드 아누아르 박사는 강조했다.

[그림 2] 물리적 특성화 및 PC 로딩 최적화

[그림출처(picture source) = 『네이처 워터(Nature Water)』 저널]

폰룽그로이 박사는 “오염물질에 매우 강하고 부유식 설계로 인해 기판이 매우 흐리거나 진흙이 많은 물에서 작동할 수 있다”라면서 “이것은 매우 다용도적인 시스템이다”라고 설명했다.

이번 연구를 이끈 에르빈 레이스너(Erwin Reisner) 교수는 “우리의 장치는 여전히 원칙의 증거이지만, 진정한 순환 경제와 지속 가능한 미래를 개발하려면 이런 종류의 해결책이 필요하다”라면서 “기후 위기와 오염과 건강을 둘러싼 문제들은 밀접한 관련이 있으며, 이 두 가지 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있는 접근법을 개발하는 것은 많은 사람들에게 판도를 바꿀 수 있다”고 역설했다.

이 연구는 유럽 위원회(European Commission’s)의 ‘수평선2020 프로그램(Horizon 2020 programme)’, 유럽 연구위원회(European Research Council), 캠브리지 트러스트(Cambridge Trust), 페트로나스 교육 후원 프로그램( Petronas Education Sponsorship Programme) 및 지속 가능성 물리학을 위한 윈턴 프로그램(Winton Programme for the Physics of Sustainability)에 의해 부분적으로 지원을 받았다.

[원문보기]

Solar-powered device produces clean water and clean fuel at the same time

 

A floating, solar-powered device that can turn contaminated water or seawater into clean hydrogen fuel and purified water, anywhere in the world, has been developed by researchers.

The device, developed by researchers at the University of Cambridge, could be useful in resource-limited or off-grid environments, since it works with any open water source and does not require any outside power.

It takes its inspiration from photosynthesis, the process by which plants convert sunlight into food. However, unlike earlier versions of the ‘artificial leaf’, which could produce green hydrogen fuel from clean water sources, this new device operates from polluted or seawater sources and can produce clean drinking water at the same time.

Tests of the device showed it was able to produce clean water from highly polluted water, seawater, and even from the River Cam in central Cambridge. The results are reported in the journal Nature Water.

“Bringing together solar fuels production and water purification in a single device is tricky,” said Dr Chanon Pornrungroj from Cambridge’s Yusuf Hamied Department of Chemistry, the paper’s co-lead author. 

“Solar-driven water splitting, where water molecules are broken down into hydrogen and oxygen, need to start with totally pure water because any contaminants can poison the catalyst or cause unwanted chemical side-reactions.”

“In remote or developing regions, where clean water is relatively scarce and the infrastructure necessary for water purification is not readily available, water splitting is extremely difficult,” said co-lead author Ariffin Mohamad Annuar.

 “A device that could work using contaminated water could solve two problems at once: it could split water to make clean fuel, and it could make clean drinking water.”

Pornrungroj and Mohamad Annuar, who are both members of Professor Erwin Reisner’s research group, came up with a design that did just that. They deposited a photocatalyst on a nanostructured carbon mesh that is a good absorber of both light and heat, generating the water vapour used by the photocatalyst to create hydrogen. 

The porous carbon mesh, treated to repel water, served both to help the photocatalyst float and to keep it away from the water below, so that contaminants do not interfere with its functionality.

In addition, the new device uses more of the Sun’s energy. “The light-driven process for making solar fuels only uses a small portion of the solar spectrum ? there’s a whole lot of the spectrum that goes unused,” said Mohamad Annuar.

The team used a white, UV-absorbing layer on top of the floating device for hydrogen production via water splitting. The rest of the light in the solar spectrum is transmitted to the bottom of the device, which vaporises the water.

“This way, we’re making better use of the light - we get the vapour for hydrogen production, and the rest is water vapour,” said Pornrungroj. “This way, we’re truly mimicking a real leaf, since we’ve now been able to incorporate the process of transpiration.”

A device that can make clean fuel and clean water at once using solar power alone could help address the energy and the water crises facing so many parts of the world. 

For example, the indoor air pollution caused by cooking with ‘dirty’ fuels, such as kerosene, is responsible for more than three million deaths annually, according to the World Health Organization. 

Cooking with green hydrogen instead could help reduce that number significantly. And 1.8 billion people worldwide still lack safe drinking water at home.

“It’s such a simple design as well: in just a few steps, we can build a device that works well on water from a wide variety of sources,” said Mohamad Annuar.

Pornrungroj는 “이 제품은 오염 물질에 대한 내성이 매우 강하며 부유형 디자인 덕분에 기판이 매우 흐리거나 진흙탕에서도 작동할 수 있습니다.”라고 말했습니다. "매우 다재다능한 시스템입니다."

연구를 주도한 Reisner는 “우리 장치는 여전히 원리 증명이지만 진정한 순환 경제와 지속 가능한 미래를 개발하려면 필요한 솔루션 종류입니다.”라고 말했습니다. 

“기후 위기와 오염 및 건강 관련 문제는 밀접하게 연관되어 있으며, 두 가지 모두를 해결하는 데 도움이 될 수 있는 접근 방식을 개발하는 것은 많은 사람들에게 획기적인 변화가 될 것입니다.”

이 연구는 유럽 위원회의 Horizon 2020 프로그램, 유럽 연구 위원회, 캠브리지 트러스트, 페트로나스 교육 후원 프로그램, 지속 가능성 물리학을 위한 Winton 프로그램의 일부 지원을 받았습니다. 

Erwin Reisner는 St John's College의 연구원입니다. Chanon Pornrungroj는 Darwin College의 회원이고 Ariffin Mohamad Annuar는 Clare College의 회원입니다.

참조:

Chanon Pornrungroj, Ariffin Bin Mohamad Annuar 외. '물 정화와 결합된 태양열 구동 전체 물 분해를 위한 하이브리드 광열-광촉매 시트.' 자연수(2023). DOI: 10.1038/s44221-023-00139-9

[출처 = 캠브리지대학(University of Cambridge) ( https://www.cam.ac.uk/research/news/solar-powered-device-produces-clean-water-and-clean-fuel-at-the-same -time ) / 2023년 11월 13일]

[논문출처 = 『네이처 Water(Nature Water)』 저널 ( https://www.nature.com/articles/s44221-023-00139-9 ) / 2023년 11월 13일]