Hydrogen is commonly generated as a gas mixture, containing impurities such as CO2 and H2O, during the fossil fuel reforming process. In order to store and utilize hydrogen as an energy source, it is crucial to achieve a state of ultra-high purity through a purification process. However, the conventional methods for hydrogen purification and storage are both costly and energy-intensive. To approach the hydrogen economy, it is necessary to simplify the current purification process and develop efficient storage systems. Here, we designed a nanocomposite of magnesium (Mg) nanocrystals encapsulated by reduced graphene oxide (rGO) sheets for hydrogen storage under the low-purity hydrogen environments. The rGO layers serve as a gas barrier that allows a selective penetration of hydrogen molecules through the defects, which leads Mg nanocrystals to react with hydrogen without the influence of other gas impurities such as CO2. We investigated the hydrogen sorption performance of rGO/Mg nanocomposites under the low-purity hydrogen conditions by varying the rGO content. Increasing the amount of rGO contributes to the formation of highly graphene-laminated structure, encapsulating Mg crystals in the nanocomposites. It results in the delayed diffusion of other gas molecules, while preserving hydrogen uptake under the low-purity hydrogen condition. Furthermore, since the diffusivity of gas species penetrating the rGO sheet is greatly affected by temperature conditions, the hydrogen storage performance was evaluated by lowering the operating temperature through transition metal doping to increase the selectivity of hydrogen molecules. This study demonstrates the possibility of combining hydrogen purification and storage system by enhancing the oxidation resistance of metal-based hydrogen storage materials.
일반적으로 수소는 천연 가스 개질 과정에서 물, 이산화탄소 등과 함께 혼합 기체로 형성되며, 저장 및 활용을 위해서는 초고순도 정제 과정이 필수적이다. 하지만 현행 수소 정제 및 저장 과정에서 소모되는 에너지 및 비용은 수소 가격을 높이는 주요 원인으로 작용한다. 수소 에너지의 가격 절감 및 상용화를 위하여 효율적이고 간소화된 정제 및 저장 방식에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 마그네슘 나노 결정을 환원된 산화 그래핀으로 캡슐화하여 저순도 수소 조건에서도 수소를 저장할 수 있는 나노 복합체를 제시한다. 환원된 산화 그래핀 층에 수소 분자만 선제적으로 투과할 수 있는 크기의 결함이 존재하기 때문에, 혼합 기체 환경에서 수소에 대한 선택적 투과막 역할을 수행함으로써 마그네슘의 산화를 지연시키고 수소 저장을 가능하게 한다. 나노 복합체 내 산화 그래핀의 함량이 증가함에 따라 저순도 수소 환경에서도 순수 수소 환경에서의 수소 저장 성능이 일부 보존되면서 환원된 산화 그래핀의 기체 방어막 활성을 규명하였다. 더불어 온도 조건이 기체 투과 및 선택도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 전이금속을 도핑한 후, 다양한 온도 조건에서의 수소 저장 성능을 비교하였다. 이 연구는 금속 기반 수소 저장 물질의 산화 저항성을 높임으로써 수소 정제와 저장 과정의 결합 가능성을 보여준다.
