태양광 활용 물분해 가능한 나노소재 개발

태양에너지로 물에서 수소에너지 만든다!

황 주 상 기자

수소가 제 2의 대체 에너지원으로 주목받는 이유는 수소에너지를 연료로 사용될 시 이산화탄소 배출 없이도 다른 에너지로 전환이 쉽고 저장이 가능하며, 장거리 운송이 용이하다는 점이다.

특히, 질량당 에너지 저장성 및 이산화탄소 배출의 관점에서 볼 때, 수소 에너지는 다른 어떤 연료보다 가장 친환경적이고 미래 지향적인 에너지원으로 평가받고 있다.

이에 반해, 물은 지구 어디에서도 찾아볼 수 있을 만큼 높은 분포도를 보이고 있으면서도 매우 안정적인 구조를 띠고 있는 것이 특징이다.

특히, 물은 2,000^oC 이상의 온도상에서만 산소와 수소로 분해되기 때문에 물로부터 수소에너지의 생산은 거의 불가능한 것이 정설로 받아들여져 왔다.

하지만, 1972년 일본에서 실시된 연구개발에서 금속산화물 반도체의 태양광 에너지 흡수를 통해 생산할 수 있는 전자와 정공을 활용하면 상온에서도 쉽게 물을 전기화학적으로 분해가 가능하다는 사실이 발견되면서 전 세계 연구기관들의 관심을 자아냈다.

이후, 세계 각국의 연구기관에선 태양광으로 물을 분해해 수소를 생산하는 기술을 ‘성배’라 부르며 지속적으로 연구개발을 수행해 왔으나 당시에는 태양광 에너지를 수소로 변환할 수 있는 효율은 1% 미만에 그쳐 실용화하기에는 터무니없이 낮은 효율을 보여주며 미미한 성과만을 거뒀다.

비스무스 바나듐 산화물 코팅으로 수소변환 효율 증가

현재, 관련기관에서 가장 각광받는 물분해 광촉매 소재는 비스무스 바나듐 산화물이다. 높은 가시광 영역의 태양광을 흡수할 수 있는 특유의 우수한 능력 때문이다.

하지만 전문가들의 분석에 따르면, 비스무스 바나듐 산화물은 높은 전자·홀 재결합 문제 때문에 이론상 수소생산 량이 실용화 수준의 절반에도 못 미쳐 상업화 가능성이 매우 낮은 것으로 나타났다.

이에 성균관대학교 화학공학부 박종혁 교수를 비롯한 연구팀은 텅스텐 산화물을 꼬아 만든 구조에 태양광 흡수에 유리한 비스무스 바냐듐 산화물을 코팅한 물질을 광전극(광촉매) 소재로 사용해 태양광 물분해 효율을 개선하는 한편, 실용화에 필요한 최소 효율 또한 10%로 향상시킬 수 있는 솔루션을 개발하기로 했다.

이번 연구는 기존 연구와 달리 전자 전달 능력이 매우 우수한 텅스텐 산화물 나노 꼬임 구조체에 태양광 흡수가 매우 우수한 비스무스 바나듐 산화물을 코팅을 함으로써 태양광·수소 변환 효율을 6%대까지 끌어 올렸다는 점에서 주목할 만하다.

텅스텐 산화물의 나노 꼬임 구조는 텅스텐 산화물의 전자 전달 능력을 그대로 유지하면서 태양빛의 산란을 극대화해 비스무스 바나듐 산화물이 태양빛을 흡수하는 데 크게 기여했다.

텅스텐 산화물의 나노 꼬임 구조체는 태양빛을 강하게 산란시키고, 이러한 빛을 비스무스 바나듐 산화물이 흡수하도록 해 전자와 홀을 생성하게 된다.

이때, 생성된 전자는 10억분의 1초의 속도로 텅스텐 산화물로 이동해 물을 산화시키는 반응에 참여하게 된다. 특히, 나노미터 수준으로 코팅된 비스무스 바나듐 산화물로 인해 전자·홀의 재결합을 크게 줄일 수 있어 높은 수소 제조 효율을 가질 수 있도록 했다.

높은 수소 생산률 및 안정성 확보

이번 연구는 약 일주일 동안 태양빛 아래에서 물분해 수소생산 실험을 진행했다.

연구진은 이번 연구를 통해 기존의 대표적인 광촉매 소재인 티타늄 금속 산화물 대비 약 10배 이상의 수소를 생산하는 한편, 기존에 문제시 됐던 장기적인 안정적 문제도 크게 향상했음을 확인했다.

연구진은 이 같은 효율개선을 텅스텐 산화물의 특이한 꼬임구조가 태양빛을 강하게 산란시키는 한편, 산란된 빛을 흡수한 비스무스 바나듐 산화물이 만들어내는 전자가 물의 분해를 원활하게 하기 때문이라 분석하고 있다.

이번 연구개발을 통해 연구진은 고효율, 저비용 수소에너지 제조를 위한 차세대 나노소재 개발 및 광전기화학 셀 설계 분야의 원천 기술 개발에 기여할 것으로 기대하고 있다.

한편, 연구진은 이번에 저가의 금속산화물 소재를 활용한 고효율 물분해 수소를 생산할 수 있게 됐다며, 이번 연구결과가 친환경적 수소생산용 핵심 소재로 활용될 것을 기대하고 있다.

연구진을 이번 연구결과의 상용화를 위해선 ‘현재 6% 수준의 변환효율을 10%로 향상시킬 수 있는 추가 소재 및 반응 메커니즘의 이해’가 관건이라고 전했다. 이를 실현하기 위해 연구진은 앞으로 태양광 물분해 시스템의 실용화에 이바지할 수 있는 후속연구를 진행할 계획이다.

박종혁 교수는 “이번 연구결과는 미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데, 태양광 에너지를 수소와 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화 가능성을 크게 높일 수 있는 초석이 될 것”이라고 밝혔다.

SOLAR TODAY 황 주 상 기자 (editor@infothe.com)