효율적인 수소 생산을 위한 열쇠: 청정 에너지 실현

세계 인구와 경제의 지속적인 성장으로 에너지 수요가 크게 증가했으며, 이 중 약 80%는 화석 연료에 의해 충족됩니다. 이러한 자원은 Dramatically 고갈되고 있으며, 환경에 대한 온실 가스(GHG)의 상당한 증가에도 책임이 있습니다.

결과적으로, 태양, 바람, 물, 유기 물질, 지구의 열과 같은 재생 가능 에너지源에 대한 관심이 증가하고 있습니다.

자연 자원에서 파생된 재생 가능 에너지源은 청정하고 지속 가능한 에너지 시스템에 중요합니다. 그러나, 이러한 에너지源은 불규칙한 가용성, 높은 초기 비용, 지리적 제한, 광대한 공간 요구와 같은 여러 도전을 직면합니다.

이것이 수소가 등장하는 곳입니다. 2023년全球 수소 수요는 전년比 2.5% 증가한 9700만 톤에 달했습니다.

청정 에너지 전환에서 수소의 역할

우주의 가장 가벼운 원소인 수소는, 유연성과 상대적으로 가벼운 무게에 많은 에너지를 저장할 수 있는 능력으로 인해, 더 지속 가능한 에너지 생태계를 달성하기 위한 유망한 해결책으로 등장했습니다.

수소는 태양과 같은 1차 에너지源이 아닌, 2차 에너지源입니다. 왜냐하면,それは 물, 천연 가스, 바이오매스와 같은 다른 원료에서 생산되어야 하기 때문입니다.

화석 연료인 천연 가스로 생산될 때, 수소는 깨끗한 에너지가 아니며, 상당한 연간 이산화탄소 배출을 책임집니다.

그러나, 연료 전지에서 사용될 때, 수소는 물 蒸気만을副産物으로 생성하여, 깨끗한 연료입니다.

다용도 에너지 운반체로서, 수소는 여러 중요한 에너지 도전을 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그것은 에너지를 수주 또는 수개월 동안 저장함으로써, 재생 가능 에너지의 전력 시스템 통합을 지원할 수 있습니다.

저배출 수소는 원자력 또는 재생 가능 에너지, 또는 탄소 포집을 사용하여 생산되며, 이는 다양한 부문의 탈탄소를 도울 수 있습니다. 특히, 배출 감축이 특히 어려운 중공업 및 장거리 수송은 इसस로 크게 혜택을 받을 수 있습니다. 그러나, 이러한 수소 생산은 2023년에 1% 미만의 소규모 역할을 합니다.

수소는 다양한 기술에서 파생될 수 있습니다. 지속 가능한 수소 생산을 위한 가장 효율적인 방법 중 하나는 물 전기 분해를 통해입니다. 이 에너지 집약적인 전기 분해에서, 전기는 물을 수소와 산소로 분리합니다. 이 기술은 잘 개발되어 있으며 상업적으로 이용 가능합니다. 그러나, 추정 에너지 효율은 약 52%입니다.

또 다른 접근법은 플라즈몰리시스(plasmolysis)로, 전기 분해와 비슷한 에너지 수율을 보여주며, 전력 소비가 줄어든다는 장점과 더 낮은 초기 비용, 더 작은 장비 크기라는 장점이 있습니다. 최근의 미세 유체 공학과 미세 플라즈마의 발전은 수증기 플라즈몰리시스를 통해 수소 생산을 에너지 효율적으로 만듭니다.

수소를 생산하기 위한 다른 방법에는 광촉매, 생물 수소, 열화학적 공정이 있습니다.

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수소 기술은 유망하지만,まだ 생산 비용, 효율, 그리고 전체 환경적 지속 가능성 측면에서 어려움을 겪고 있습니다. 그러나, 깨끗한 에너지源이 필요하기 때문에, 연구자들은 새로운 재료와 더 나은 기술을 통해 이러한 문제를 해결하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다.

촉매 혁신이 수소 효율성을 주도

수소 기술이 개념에서 상업화로 진행됨에 따라, 주요 도전은 이러한 시스템을 효율적이고 확장 가능하게 만드는 재료입니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 다양한 접근 방식을 연구하고 있습니다.

예를 들어, 중국 과학 아카데미 본부의 연구에서, 프로톤 교환 막 연료 전지(PEMFCs)에서 백금을 대체할 수 있는 미세한 철 촉매를 소개했습니다. 이는 깨끗한 에너지의 미래를 변革할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

PEMFCs는 수소와 산소에서 전기를 생산하는 깨끗한 에너지 디바이스입니다. 그러나, 귀하고 비싼 백금에 크게 의존합니다. 따라서, 이러한 연료 전지의 광범위한 채택을 도우기 위해, 연구자들은 높은 성능의 철 기반 촉매를 개발했습니다.

새로운 촉매는 “내부 활성화, 외부 보호” 설계로, 우수한 성능을 달성할 수 있으며, 유해한副産物을 줄일 수 있습니다.

Fe/N–C 촉매는 백금 군 금속 촉매의 가장 유망한 대안 중 하나입니다. 그러나, 그들의 활성과 내구성은 성능 기준을 충족하지 못합니다. 따라서, 연구 팀은 새로운 유형의 Fe/N–C 촉매를 설계하고 개발했습니다. 이는 2D 탄소 층에 분포된 수많은 나노 돌기와 내부 곡선 표면에埋め込まれた 단일 Fe-원자 사이트를 갖습니다.

결과적으로, 새로운 촉매는 백금 군 금속 없는 PEMFC의 최고 성능을 보여주었으며, 300시간 이상의 연속 작동 후에도 86%의 활성 유지率를 보였습니다.

또 다른 주요 기술은 물 전기 분해를 통해 청정 수소를 생산하는 프로톤 교환 막 수전해(PEM-WE)입니다.

원하는 반응을 가속하기 위해, 전극은 특별한 전기 촉매로 코팅됩니다. 음극에서는 Ir 기반 촉매가 일반적으로 사용되며, 특히 산성 산소 발전 반응(OER)에서 사용됩니다.

OER은 수소를 생성하는 수분 분해 과정의 산소 생성 단계입니다. 그러나, 이는 여전히 도전적이고 비효율적입니다. 이 반응은 Ir 기반 촉매가 사용될 때 가장 효과적입니다.

1803년에 발견된 Ir은 자연에서 순수한 형태로 존재하지 않으며, 상업적으로는 백금, 팔라듐, 니켈, 또는 구리의 부생산물로 회수됩니다.

Ir은 공기, 물, 그리고 산에 영향을 받지 않는 밀도 높은 금속입니다. 이러한 특성으로 인해, 그것은 점화 플러그, 과학 장비, 촉매, 전자 제품을 위한 전도성 잉크, 그리고 암 치료에 사용됩니다.

Ir은 순수한 형태로 거의 사용되지 않으며, 준비와 제조의 어려움으로 인해, 보통은 백금 합금의 형태로 사용됩니다.

Ir은 지구의 지각에서 발견되는 가장 희귀한 원소 중 하나입니다. Ir을 함유한 광물은 남아프리카, 미국(알래스카), 브라질, 러시아, 미얀마, 그리고 호주에서 발견됩니다.

그의 희귀성과 산업의 높은 수요로 인해, Ir은 매우 비싼 금속입니다. 실제로, Ir은 금보다 더贵하며, 1온스당 거의 5,000달러입니다.

따라서, 과학자들은 대체 가능한 새로운 금속을 찾기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 그러나, Ir의 대체는 간단하지 않으며, 관련된 광범위한 설계 공간으로 인해 느립니다.

몇 개월 전, 고급 재료 연구소(AIMR)에서 수행된 연구에서, 청정 수소 생산을 위한 효율적이고 내구성 있는 촉매로 작용하는 다공성 결정을介绍했습니다.

이 연구에서 사용된 재료는 산성 OER을 위한 중孔 结晶 Co3O4로, 원자적으로 분산된 Ir을 도핑했습니다.

중孔 스피넬 구조는 중요한 역할을 합니다. 이는 높은 Ir 적재(13.8 wt%)를 허용하며, 큰 Ir 클러스터의 형성을 방지합니다. 또한, Ir 적재를 위한 공간을 제공하며, 안정적인 환경을 조성하는 데에도 도움이 됩니다.

촉매는 100시간 이상의 작동에서 248 mV의 과전압(η₁₀)으로 성능을 유지했습니다.

또 다른 최근 연구에서, 연구자들은 수소 생산을 위한 Ir 촉매의 대안을 찾기 위해, 몇 개의 주요 금속으로 구성된 수백만개의 고유한 나노 구조로 구성된 “메가 라이브러리”를 생성했습니다.

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나노 기술을 이용한 촉매의 신속한 발견

최근의 연구에서, 수소 연료 생산을 위한 새로운 촉매를 발견했습니다. 이는 비용과 에너지 효율성이 뛰어난 것입니다.

이번 달에 저널 오브 아메리칸 케미컬 소사이어티(JACS)에 발표된 이 발견은, 새로운 나노 입자 메가 라이브러리를 사용하여 이루어졌으며, 수소 연료 생산에서 Ir의 성능을 따라가거나 초과하는 것을 보여주었습니다. 그러나, 비용은 Ir의 한 분之一입니다.

오랫동안, 연구자들은 Ir의 대안을 찾고 있었습니다. 그러나, 수십 년 동안 걸렸던 것이, 이제는 단 몇 시간 안에 발견되었습니다. 이는 노스 웨스턴 대학교의 과학자들이 개발한 새로운 도구를 사용하여 이루어졌습니다.

이 새로운 도구는 “메가 라이브러리”라고 불리며, 세계 최초의 나노 물질 “데이터 팩토리”입니다. 각 라이브러리에는 하나의 작은 칩에 수백만개의 고유한 나노 입자가 포함되어 있습니다.

이 기술은 토요타 연구소(TRI)와의 협력을 통해, 상업적으로 관련성이 높은 수소 생산을 위한 촉매를 찾기 위해 사용되었습니다. 이후, 이 재료는 확대되어, 장치 내에서 작동하는 것으로 나타났습니다. 모든 것이 기록적인 속도로 이루어졌습니다.

새로운 촉매를 발견하기 위해, 연구자들은 4개의 저렴하고 풍부한 금속을 사용했습니다. 이는 모두 촉매 성능으로 알려져 있습니다. 이러한 금속은:

1. 코발트(CO)
2. 크로뮴(CR)
3. 망가니즈(MN)
4. 루테니엄(Ru)

메가 라이브러리는 이러한 금속의 광범위한 조합을 신속하게 검색하여, Ir의 성능을 따라갈 수 있는 새로운 재료를 찾기 위해 사용되었습니다.

연구 팀은 Ir 기반 재료와 비슷한 성능을 보여주는 새로운 재료를 발견했습니다. 어떤 경우에는, 성능이 더 뛰어났습니다. 그러나, 비용은 Ir의 한 분之一입니다.

이 발견은 녹색 수소를 저렴하게 만들 수 있습니다.

또한, 새로운 재료는 메가 라이브러리 접근 방식의 효과를 보여주며, 이는 다양한 응용 분야에서 새로운 재료를 발견하는 방식을改变할 수 있습니다.

노스 웨스턴 대학교의 Chad A. Mirkin 교수는, “우리는 세계에서 가장 강력한 합성 도구를 풀어놓았으며, 이는 화학자와 재료 과학자에게 필요한 재료를 찾는 데 도움이 됩니다.”

메가 라이브러리 프로젝트에서, 팀은 “에너지 부문에서 주요 문제를 해결하기 위해 이 능력을 채널링했습니다.”라고 말했습니다. 문제는, 나노 기술의 先駆者인 Mirkin이 말한 바와 같이, “Ir과 같은 물질을 찾는 것입니다. 그러나, 더 풍부하고, 더 많이 이용 가능하며, 더 저렴한 물질입니다. 이 새로운 도구를 통해, 우리는 유망한 대안을 찾을 수 있었으며, 신속하게 찾을 수 있었습니다.”

Mirkin은 노스 웨스턴 대학교의 화학 교수이며, McCormick 공학 대학의 화학 및 생물학 공학, 재료 과학 및 공학 교수입니다.

청정 수소는 세계의 중요한 필요입니다. 그러나, 가장 희귀한 물질 중 하나인 Ir에 의존하여 작동합니다.

“Ir이 충분하지 않습니다. 우리의 모든 예상 nhu cầu를 충족하기 위해.”

– Ted Sargent, 노스 웨스턴 대학교 화학 교수

Sargent와 Mirkin은 함께 이 프로젝트에 참여했습니다.

“수소를 분리하여 대체 에너지 형태를 생성할 때, Ir이 충분하지 않습니다. 이는 순수한 공급 측면에서입니다.”

– Sargent

새로운 촉매를 발견하는 과정에서, 팀은 대량의 고품질 재료 데이터 세트를 만들었습니다. 이는 기계 학습과 AI를 통해 다음 세대의 새로운 재료를 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.

TRI, 노스 웨스턴 대학교, 그리고 그 스핀 아웃 회사 Mattiq는 이미 메가 라이브러리를 검색하기 위한 알고리즘을 개발했습니다.

그러나, 이는 시작에 불과합니다. AI와 마찬가지로, 메가 라이브러리 접근 방식은 에너지 전환을 위한 촉매의 가속된 발견을 넘어서, 거의 모든 기술을 위한 재료 발견을 변革할 수 있습니다.

“우리는 배터리, 융합, 그리고 더 많은 것을 위한 재료를 찾을 것입니다. 세계는 자신의 필요에 가장好的 재료를 사용하지 않습니다. 사람들은 특정 시점에 이용 가능한 도구로 가장好的 재료를 찾았습니다. 그러나, 우리는 이미 이러한 재료를 중심으로巨大한 인프라를 구축했습니다. 우리는 이를 뒤집어야 합니다. 이제는 가장好的 재료를 찾을 때입니다. 어떠한妥協도 없이.”

수소의 힘에 투자

Bloom Energy Corp (BE )는 정지형 연료 전지 발전에 참여하고 있습니다. 그것은 상업적으로 두 가지 제품을 제공합니다. 하나는 수소를 생산하기 위한 Bloom 전기 분해기이고, 다른 하나는 전기를 생성하기 위한 Bloom 에너지 서버입니다.

회사는 세계에서 가장 큰 전기 분해기를 사용하여 수소를 생산하고 있으며, 이는 NASA의 에임스 연구 센터에 설치되어 있습니다. 이는 상업적인 전기 분해기보다 약 25% 더 많은 수소를 생성합니다.

현재까지, Bloom Energy는 전 세계적으로 1.5GW의 저탄소 전力を 1,200개 이상의 설치에서 배포했습니다.

시장 가치가 1238억 달러인 BE 주가는 53.15달러로 거래되고 있으며, 연초 대비 138.36% 상승했습니다. 최근에, 회사의 주가는 신규 고성능 컴퓨터와 데이터 센터의 관심 증가로 인해 55달러를 돌파하여 새로운 고점을 기록했습니다. 또한, 7월에는 오라클과 중요한 계약을 체결했으며, 향후 더 많은 계약이 있을 것으로 예상됩니다.

현재의 EPS(TTM)는 0.11, P/E(TTM)는 495.23입니다.

재무적으로, 2025년 6월 30일 종료된 2분기에는 매년 19.5% 증가한 4억 012만 달러의 매출을 기록했습니다. 해당 기간의 총 이익률은 26.7%, 비 GAAP 총 이익률은 28.2%였습니다. 영업 손실은 350만 달러, 비 GAAP 영업 수익은 2860만 달러였습니다.

“온사이트 전력이 급속하게 성장하면서, 수소 연료 전지의 시장은 더 이상 숨길 수 없습니다. 다른 대안과 달리, 우리의 제품은 디지털 혁명을 위해 설계되었습니다.”

– 창립자 및 CEO KR Sridhar

최신 Bloom Energy Corp(BE) 주식 뉴스 및 개발

결론

우주의 가장 간단하고 풍부한 원소인 수소는, 깨끗한 미래를 위한 길을 약속합니다. 이 원소는 재생 가능 에너지의 간격을 메우고, 탈탄화가 어려운 부문을 탈탄화할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나, 이러한 약속을 실현하기 위해서는 투자, 혁신, 그리고 산업 간의 협력이 필요합니다.

촉매와 전기 분해의 최신 돌파구는 수소 생산의 효율성을 높여, 지속 가능한 에너지 경제로의 전환을 가속화할 수 있습니다.

참고문헌:

1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C., et al. Acidic oxygen reduction by single-atom Fe catalysts on curved supports. Nature, 644, 668–675, published 13 August 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6
2. Wang, Y., Qin, Y., Liu, S., Zhao, Y., Liu, L., Zhang, D., Zhao, S., Liu, J., Wang, J., Liu, Y., Wu, H., Jia, B., Qu, X., Li, H., Qin, M. Mesoporous single-crystalline particles as robust and efficient acidic oxygen evolution catalysts. Journal of the American Chemical Society, 147(16), 13345–13355, published 8 April 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.4c18390
3. Huang, J., Wang, Z., Liang, J., Li, X-Y., Pietryga, J., Ye, Z., Smith, P. T., Kulaksizoglu, A., McCormick, C. R., Kim, J., Peng, B., Liu, Z., Xie, K., Torrisi, S. B., Montoya, J. H., Wu, G., Sargent, E. H., Mirkin, C. A. Accelerating the pace of oxygen evolution reaction catalyst discovery through megalibraries. Journal of the American Chemical Society, 147(34), published 19 August 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.5c08326