수소 발생 반응

수소 발생 반응(, HER)은 H2를 생성하는 화학 반응이다. 양성자를 H2로 전환하려면 환원 등가물과 일반적으로 촉매가 필요하다. 자연에서 HER은 철과 니켈 기반 촉매에 의존하는 수소화효소 효소에 의해 촉매된다. 상업용 전해조는 일반적으로 지지된 니켈 기반 촉매를 사용한다.

 전기 분해에서의 HER 
HER은 산업 에너지 응용 분야와 소규모 실험실 연구 모두에서 수소 생산을 위한 물의 전기분해에서 발생하는 주요 반응이다. 지구상에 물이 풍부하기 때문에 수소 생산은 연료 생성을 위한 잠재적으로 확장 가능한 공정이다. 이는 상당한 온실 기체 배출이 있는 수소 생산을 위한 수증기 개질의 대안이며, 따라서 과학자들은 배출량이 적은 전기 분해 공정을 개선하고 확장하려고 노력하고 있다.

 전기 분해 메커니즘 
산성 조건에서 수소 발생 반응은 다음 공식을 따른다.

중성 또는 알칼리성 조건에서 반응은 다음 공식을 따른다.

이 두 메커니즘은 수소 발생이 일어나는 전해조의 음극 측에서 산업적으로 볼 수 있다. 산성 조건에서는 양성자 교환막 전기 분해 또는 PEM이라고 하며, 알칼리성 조건에서는 단순히 알칼리성 전기 분해라고 한다. 역사적으로 알칼리성 전기 분해가 두 가지 방법 중 지배적이었지만, PEM 전기 분해에서 더 높은 전류 밀도를 달성할 수 있기 때문에 최근 PEM이 성장하기 시작했다.

 HER용 촉매 
HER 공정은 촉매의 존재하에 더욱 효율적이다. 상업용 알칼리성 전해조는 음극에 니켈 기반 촉매를 사용하고 양극에 강철을 사용한다. 양성자 교환막 기반 기술은 기존의 고압 전해조의 대안이다. 이러한 공정에서 전해질의 알칼리성은 저렴한 촉매 사용을 가능하게 한다. PEM 전해조에서 HER의 표준 촉매는 탄소에 지지된 백금 또는 Pt/C로, 양극에 사용된다. 촉매의 성능은 금속 표면의 결합 부위에 대한 수소의 흡착 수준과 전류 밀도가 증가함에 따라 반응의 과전압으로 특징지을 수 있다. 음이온 교환막(AEM) 물 전해조는 새로 개발된 전해조이다. AEM 전해조에서 HER의 표준 촉매는 여전히 니켈 또는 철과 같은 비귀금속 기반 촉매이다.

 과제 
물의 전기 분해에서 높은 비용과 에너지 투입은 수소 에너지의 대규모 구현에 어려움을 초래한다. 물의 전기 분해는 에너지가 저렴한 곳에서만 실용적이다. 알칼리성 전기 분해는 일반적으로 사용되지만, 제한된 전류 밀도 용량은 많은 양의 전기를 필요로 하며, 이는 여러 국가의 전력의 높은 탄소 함량으로 인해 비용 및 환경 문제 모두를 야기한다. PEM 전해조의 전기 분해에 사용되는 전기촉매는 현재 총 공정 비용의 약 5%를 차지하지만, 이 공정이 확장됨에 따라 달라질 수 있다.

 경쟁 반응으로서의 HER 
HER은 또한 질소 고정 또는 이산화 탄소의 전기화학적 환원과 같은 다른 환원 반응과 경쟁할 수 있는 바람직하지 않은 부반응일 수 있다. 그러나 이러한 공정 중 어느 것도 상업화되지 않았다. HER은 크롬 도금에서도 경쟁한다.

 각주 

분류:전기 분해
분류:에너지공학