[인더스트리뉴스 권선형 기자] 태양광의 대부분을 차지하는 가시광선에 감응해 탄소 배출 없이 그린 수소를 생산할 수 있는 비금속, 친환경 질화 탄소(carbon nitride) 광촉매가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 인하대 박성진, 김정호 교수 연구팀이 그린 수소를 생산할 수 있는 새로운 구조의 고효율 질화 탄소 광촉매를 개발하고, 촉매 성능과 질화 탄소 물질 구조간의 상관관계를 분자 수준에서 규명했다고 5월 3일 밝혔다.

최근 환경오염과 전 세계 에너지 고갈의 문제를 해결할 수 있는 유망한 기술 중 하나로 태양에너지로 물을 분해해 그린 수소를 생산하는 수소 생산 반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER)이 관심을 받고 있지만 촉매 효율이 제한적이라는 기술적 한계가 존재했다.  또한 기존에 우수한 성능을 보인 광촉매들은 대부분 금속을 함유하는 물질로 환경오염을 유발할 수 있어 사용이 제한적이다.   

이에 연구팀은 가시광선을 흡수하기에 적합한 ‘밴드 구조’를 갖고 무독성, 저비용 등의 장점을 지닌 비금속 기반의 질화 탄소물에 집중했다.

연구팀은 질화 탄소 소재의 생성 과정에서 물과 수증기를 첨가하는 친환경적인 방법을 이용, 수소 결합은 감소하고 전자 이동성은 향상된 질화 탄소 기반 광촉매를 개발했다.

연구팀은 물을 사용하지 않고 만든 기존 질화 탄소 광촉매 보다 약 12배 뛰어난 수소 생산 광촉매 성능을 발휘하는 것을 확인했다. 또 높은 안정성과 내구성을, 분자 수준에서 수소 결합 감소, 결정성 증가 등을 보여 촉매 성능이 향상되는 것을 확인했다.

연구팀은 “기존 방식으로 제조된 질화 탄소물에서는 2차원 연결구조 내 수소 결합들이 다수 존재해 태양광에 의해 생성된 전하 운반자의 원활한 이동을 막아 광촉매 성능이 저하되는 문제점이 있었는데 이번 연구를 통해 촉매 성능을 향상시킬 수 있었다”며, “앞으로 촉매 성능의 극대화, 고효율 촉매의 대량 생산법 개발, 촉매 물질의 저독성, 친환경성 검증 등의 추가 연구에 나설 계획”이라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견후속연구) 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)’에 3월 12일 온라인 게재됐다.

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