햇볕 이용해 물에서 수소에너지 만드는 소재개발

[산업일보]
국내 연구진이 햇빛(태양광에너지)을 활용해 물을 분해하는 새로운 나노소재를 개발했다. 물 분해를 이용한 차세대 청정에너지 수소생산에 활용하기 위한 후속연구로 이어질 것으로 기대된다.

성균관대학교 화학공학부 박종혁 교수팀(시신건 석사과정 연구원)과 포스텍 신소재공학과 김종규 교수팀(최일용 박사과정 연구원)이 공동으로 주도한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(도약) 등의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)지 온라인판에 게재됐다.

수소가 제2의 대체 에너지원으로 주목받는 이유는 연료로 사용 시 이산화탄소 배출이 없이 다른 에너지로의 전환이 쉽고 저장이 가능하며 장거리 운송이 용이하다는 점이다. 특히 질량당 에너지 저장성(수소 143 MJ/kg, 천연가스 54 kJ/kg, 석탄 24 KJ/kg) 및 이산화탄소 배출 관점에서 볼 때 수소 에너지는 다른 어떤 연료에 비해 친환경적이고 미래 지향적인 에너지원으로 평가받고 있다.

물(H2O)은 지구 어디에나 있지만 매우 안정해 2,000oC 이상으로 온도가 올라가야만 산소와 수소로 분해가 되기 때문에 물로부터 수소에너지의 생산은 거의 불가능했다. 하지만 금속산화물 반도체가 태양광 에너지를 흡수해 만들 수 있는 전자와 정공을 이용하면 상온에서도 물을 전기화학적으로 분해가 가능하다는 것을 1972년 일본 과학자 후지시마 교수와 혼다 교수가 발견했다. 하지만 당시 태양광 에너지를 수소로 변환할 수 있는 효율이 1% 미만이었으며 이후 많은 과학자들이 40여 년 동안 연구를 수행하고 있지만 효율 증가가 미미했다.

최근 가장 각광받는 물 분해 광촉매 소재는 비스무스 바나듐 산화물이다. 그러나 높은 가시광 영역의 태양광을 흡수할 수 있는 우수한 능력에도 불구하고 높은 전자/홀 재결합의 문제로 인해 이론치 수소생산 값의 절반 수준에도 미치지 못하는 수준이어서 상업화 가능성이 매우 낮았다.

본 연구에서는 기존 연구와 달리 전자 전달 능력이 무척 우수한 텅스텐 산화물 나노 꼬임 구조체에 태양광 흡수가 매우 우수한 비스무스 바나듐 산화물을 코팅을 함으로써 태양광-수소 변환 효율을 6%대까지 끌어 올렸다.
텅스텐 산화물의 나노 꼬임 구조는 텅스텐 산화물의 전자 전달 능력을 그대로 유지하면서 태양빛의 산란을 극대화해 비스무스 바나듐 산화물이 태양빛을 흡수하는데 크게 기여했다.

텅스텐 산화물의 나노 꼬임 구조체는 태양빛을 강하게 산란을 시키고 이 빛을 비스무스 바나듐 산화물이 흡수해 전자와 홀을 생성하게 된다. 이때 생성된 전자는 10억분의 1초 이내에 텅스텐 산화물로 이동해 물을 산화시키는 반응에 참여한다. 특히 나노미터 수준으로 코팅된 비스무스 바나듐 산화물로 인해 전자/홀 재결합을 크게 줄일 수 있으며 높은 수소 제조 효율을 갖게 된다.

이 연구에서 약 일주일 동안 태양빛 아래에서 물 분해 수소생산 실험을 진행했으며 기존의 대표적인 광촉매 소재인 티타늄 금속 산화물 대비 약 10배 이상의 수소가 생산됨을 확인했다. 또한 기존에 문제가 됐던 장기 안정성 문제도 크게 향상돼 광전기화학셀의 상업화 가능성을 한층 높일 수 있는 기술로 기대된다.

이 같은 효율개선은 텅스텐 산화물의 특이한 꼬임구조로 인해 태양빛을 강하게 산란시키는 한편 산란된 빛을 흡수한 비스무스 바나듐 산화물이 만들어내는 전자가 물의 분해를 원활히 하기 때문이다.

태양전지처럼 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하면 바로 써야 하지만 화학에너지인 수소로 변환하면 휘발류나 LPG가스처럼 저장이나 수송이 가능해 특히 유용하다.

박 교수는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 태양광 에너지를 수소 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화 가능성을 크게 높일 수 있는 초석이 될 것”이라고 밝혔다.