[그린포스트코리아 김동수 기자] 물과 햇빛만으로 친환경 연료인 수소를 생산하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 화석연료 개질과 달리 이산화탄소가 발생하지 않아 향후 기후변화 억제에 큰 도움이 될 것으로 보인다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 이재성 교수팀은 태양광과 물로 수소를 만들 수 있는 광촉매 성능을 개선한 연구 결과를 최근 발표했다.

광촉매는 ‘태양광 수소생산 시스템’의 전극을 구성하는 반도체 물질로 태양광 에너지를 흡수해 물(H2O)에서 수소(H2)를 생산한다. 이번에 개발된 촉매는 수소 생산에 필요한 에너지 소모는 낮추고 동시에 생산량은 늘렸다는 점이 특징이다.

보통 청정연료라고 여겨지는 수소는 대부분 천연가스와 같은 화석연료를 개질(改質)해 생산한다. 하지만 개질 방식으로 얻는 수소는 생산 과정에서 지구온난화를 일으키는 이산화탄소가 발생해 일명 ‘그레이 수소’라고 불리 운다.

개질 방식의 대안으로 물과 같은 무궁무진한 원료와 재생에너지를 이용해 이산화탄소 배출이 없는 그린 수소를 생산하는 방식이 있지만 가격 측면에서 경쟁력이 부족한 실정이다. 가격 경쟁력 문제를 해결하기 위해 수소 생산에 소모되는 에너지를 낮추고 반대로 생산량을 늘릴 수 있는 값싼 촉매가 필요한 상황이다.

이재성 교수팀은 산화철을 ‘코어-쉘(core-shell)’ 이중구조로 만드는 방법으로 에너지 소모를 줄이는 동시에 수소 생산량을 늘려 이러한 문제를 해결했다. 

연구팀은 탄탈럼(Ta)이 도핑(첨가)된 산화철 중심부(Core)이 도핑되지 않은 산화철 껍질(Shell)로 감싼 코어-쉘 나노 막대 구조로 합성했다. 이 막대 입자들을 도자기 만들듯 구워(소결) 광촉매로 이뤄진 전극을 만들었다. 소결 반응에서 흑연과 같은 마이크로웨이브 흡수체를 사용해 단시간 동안 높은 온도에서 소결했다.

그 결과, 에너지 소모를 나타내는 반응 개시 전압은 일반 산화철 전극보다 270밀리볼트(mV) 만큼 떨어지고 수소 생산량을 나태는 지표인 전류밀도는 기존 산화철 촉매보다 66.8% 증가했다. 앞서 개발된 대부분 촉매가 둘 중 하나에서만 성과를 보여 온 것과 달리 이번에 개발된 촉매는 에너지 소모와 수소 생산량 측면에서 한계를 극복했다.  

이재성 교수는 “추가적인 연구를 통해 상용화의 분기점인 수소 생산 효율 10%를 달성하는 것이 목표”라며 “이번에 개발된 촉매로 이러한 목표에 한 발짝 더 다가서게 됐다”고 연구 의미를 전했다.  

한편, 이번 연구는 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 9월15일 자로 공개됐다.

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