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Green hydrogen & syngas production
우리 연구그룹은 지구상에 풍부한 열에너지와 유휴 재생 전력을 활용하여 경제적인 탄소중립 연료(<$2/gallon)를 합성하는 것을 목표로 연구를 수행하고 있습니다. 이를 달성하기 위한 첫 번째 단계로, 탄소중립 연료의 전구체인 합성가스(H2+CO)를 고효율로 생산할 수 있는 기술 개발을 추진하고 있습니다.
그 중에서도 특히, 대규모 수소 생산에 적합한 체적반응 기반의 열화학적 수소생산 사이클(thermochemical hydrogen production cycle)에 주목하고 있습니다. 열화학적 수소생산 사이클은 일종의 화학적 열기관으로, 고온과 저온에서 연속적으로 이루어지는 두 단계 반응을 통해 이산화탄소 배출 없이 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)를 생산합니다. 첫 번째 단계에서는 고온 및 낮은 산소 분압 조건에서 금속 산화물이 산소를 방출하며 환원됩니다. 이어지는 두 번째 단계에서는 상대적으로 낮은 온도에서 산소가 결핍된 금속 산화물이 열역학적으로 산소를 흡수하려는 성질을 이용하여 수증기(H2O)나 이산화탄소(CO2)의 화학결합을 끊어, 수소 및 일산화탄소를 생성합니다.
Our research group aims to economically synthesize carbon-neutral fuels (target cost: below $2/gallon) by utilizing abundant terrestrial thermal energy and surplus renewable electricity. To achieve this vision, our initial goal is to develop technologies capable of efficiently producing synthesis gas (H2+CO), a precursor for carbon-neutral fuels. We focus particularly on thermochemical hydrogen production cycles based on volumetric reactions, suitable for large-scale hydrogen production. Thermochemical hydrogen production cycles act as chemical heat engines, producing hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) without emitting carbon dioxide through a two-step reaction cycle performed consecutively at high and low temperatures. In the first step, metal oxides release oxygen and undergo reduction under high temperatures and low oxygen partial pressures. In the second step, the oxygen-deficient metal oxides thermodynamically seek to reabsorb oxygen, splitting chemical bonds in water vapor (H2O) or carbon dioxide (CO2), thereby generating hydrogen and carbon monoxide.
[세부 연구 주제]
1. Maximize Cycle Efficiency by Materials Innovation
[연구실 논문 실적]
B. Kim, H. Jin, et al., In preparation
H. Kim, H. Jin, et al., In preparation
2. Novel Reaction Routes by Energy Diversification (Microwave, Plasma etc.)
[연구실 논문 실적]
T. Kim, H. Jin, et al., In preparation
[주요 참고 문헌]
Carbon-neutral fuel synthesis
그린 수소는 높은 에너지 밀도와 온실가스 배출이 없는 특성 덕분에 차세대 청정 연료로 각광받고 있습니다. 하지만 누출 위험과 공기 중 넓은 가연성 범위(4~75 vol%)로 인해 안전성 확보라는 기술적 난제가 존재하여 산업 현장에 즉각 적용하기 어려운 실정입니다. 이에 우리 연구 그룹은 청정 수소 생산을 넘어 합성가스(H2+CO)를 이용한 탄소 중립 연료 합성 연구를 수행하고 있습니다. 최근 태양열을 이용하여 생산한 청정 수소로부터 등유 등 탄소중립 연료를 합성하는 통합 공정이 시연되는 등 열화학적 반응을 통한 탄소중립 연료 합성 연구 분야는 전 세계적으로 큰 주목을 받고 있습니다.
Green hydrogen is recognized as a next-generation clean fuel due to its high energy density and zero greenhouse gas emissions. However, technical challenges related to ensuring safety, such as leakage risks and its wide flammability range (4–75 vol% in air), currently hinder its immediate industrial application. Therefore, beyond clean hydrogen production, our research group is conducting studies on synthesizing carbon-neutral fuels using synthesis gas (H₂+CO). Recently, integrated processes utilizing solar energy to produce clean hydrogen and subsequently synthesize carbon-neutral fuels such as kerosene have been demonstrated, drawing significant global attention to thermochemical synthesis technologies.
[주요 참고 문헌]
Methane pyrolysis
현재 전 세계 수소 생산의 90% 이상이 이산화탄소(CO2)를 배출하는 증기 메탄 개질과 가스화 공정을 통해 이루어지고 있습니다. 물을 재생에너지로 분해하여 생산하는 그린 수소는 이상적이지만, 기술적 성숙도와 높은 생산 비용으로 인해 상용화에 시간이 걸릴 것으로 예상됩니다. 이러한 배경에서 이산화탄소 배출 없이 메탄을 직접 열분해하여 수소를 생산하는 청록 수소는, 그린 수소 기술이 충분히 성숙할 때까지 수소 수요를 충족할 수 있는 유망한 대안으로 주목받고 있습니다.
메탄 열분해 공정에서 사용되는 금속 촉매는 우수한 메탄 전환율을 제공하며, 부산물로 생성되는 고품질의 탄소를 판매하여 수소 생산 단가를 낮출 수 있는 장점이 있습니다. 그러나 이 과정에서 촉매 표면에 탄소가 침착되어 촉매 활성이 저하되는 문제가 발생합니다. 우리 연구팀은 포스코의 연구 지원을 받아 촉매 및 공정 개발을 통해 이 문제를 극복하고자 노력하고 있으며, 이를 통해 청록 수소의 생산 효율을 높이고 장기적으로 지속 가능한 수소 에너지 활용을 목표로 하고 있습니다.
Currently, over 90% of global hydrogen production is derived from steam methane reforming and gasification processes, which emit carbon dioxide (CO₂). While green hydrogen produced by splitting water with renewable energy is ideal, its commercialization faces challenges due to low technological maturity and high production costs. In this context, turquoise hydrogen, produced by methane pyrolysis without CO₂ emissions, is emerging as a promising alternative to meet hydrogen demand until green hydrogen technology matures sufficiently. The metal catalysts used in methane pyrolysis processes offer high methane conversion efficiency and have the advantage of reducing hydrogen production costs by selling the high-quality carbon byproduct. However, carbon deposition on the catalyst surface during the process decreases catalyst activity. Our research team, supported by POSCO, is addressing this challenge by developing advanced catalysts and processes. Through these efforts, we aim to enhance turquoise hydrogen production efficiency and promote the long-term sustainable utilization of hydrogen energy.
[세부 연구 주제 및 주요 참고 문헌]
1. Microwave-driven exsolution
2. Methane pyrolysis
3. Partial oxidation of methane