물·햇빛만으로 청정에너지를 … ‘그린수소’ 시대 곧 열린다

UNIST 이재성 교수팀, 태양광 수소생산 광촉매 전극 개발
에너지 소모 낮추고 수소 생산량 늘려 … Nature Comm. 논문게재

코어쉘(core-shell) 나노막대 구조.

[아시아경제 영남취재본부 김용우 기자] 물과 햇빛만으로 청정연료인 수소를 생산하는 시대가 올까? 이런 신세계가 앞당겨지고 있는 연구가 나왔다.

더 이상 화석연료를 쓰지 않고서도 청정 수소를 생산할 수 있는 광(光)촉매가 개발되고 있는 것이다.

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

‘태양광수소 생산 시스템’의 전극을 구성하는 광촉매는 태양광 에너지를 흡수해 물(H2O)에서 수소(H2)를 만든다.

이번에 개발된 촉매는 수소 생산에 필요한 에너지 소모는 낮추고 동시에 생산량은 늘리는 이중기능성이 있어 수소 생산 효율이 높은 것으로 알려졌다.

이 교수팀의 연구결과는 태양광수소생산 시스템의 상용화 연구에서 중요한 이정표를 세웠다고 학계는 평가하고 있다.

청정연료라고 여겨지는 수소는 대부분 천연가스와 같은 화석연료를 개질(改質)시켜 얻는다. 그러나 화석연료로 수소를 생산하는 과정에서 지구온난화를 일으키는 이산화탄소가 발생하는 역설이 있어 이른바 ‘그레이 수소’라 불린다.

물과 같은 무궁무진한 원료와 재생에너지를 이용해 ‘그린 수소’를 생산하는 방법이 있지만, 아직 가격경쟁력이 낮아 실용가치는 떨어진다.

이 때문에 생산에 소모되는 에너지를 낮추고 수소 생산량은 늘릴 수 있는 값싼 촉매가 필요했다.

이재성 교수팀은 산화철을 ‘코어-쉘’(core-shell) 이중구조로 만드는 방법으로 에너지 소모는 줄이면서 동시에 수소 생산량을 늘리는 효율성을 확보했다.

에너지 소모를 나타내는 반응 개시 전압은 일반 산화철 전극에 비해 270mV 만큼 떨어지고, 수소 생산량을 나타내는 지표인 전류밀도는 기존 산화철 촉매보다 66.8% 증가했다. 앞서 개발된 대부분 촉매가 둘 중 하나에서만 성과를 보여온 한계를 극복한 것이다.

촉매 물질로 사용된 산화철(Fe2O3)은 녹슨 철에서 볼 수 있는 붉은 물질이다. 가격도 저렴하고 구하기도 쉽다. 또 흡수할 수 있는 태양광의 파장 대역도 넓다.

하지만 내부 전하(전자) 전달 문제 때문에 실제 이 촉매를 썼을 때 수소 생산 효율이 높지 않았다.

연구팀은 산화철을 이중구조로 만들어 물질 내부 전하 전달 문제를 개선한 고효율 촉매를 개발했다.

탄탈럼(Ta)이 도핑(첨가)된 산화철 중심부(Core)를 도핑되지 않은 산화철 껍질(Shell)이 감싸고 있는 구조다.

마치 연필과 같은 구조의 나노 막대이다. 이 막대 입자들을 도자기 만들 듯 구워(소결) 광촉매로 이뤄진 전극을 만들었다.

소결 반응에서 흑연과 같은 마이크로웨이브 흡수체를 써 짧은 시간 동안 높은 온도에서 소결할 수 있게 됐다.

(앞줄 왼쪽부터 반시계 방향) 이재성 교수, 허민 짱(Hemin Zhang) 연구교수, 신태주 교수, 정후영 교수, 변우진 연구원.

이 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 성과를 결론 내렸다.

이재성 교수는 태양광 수소 생산 분야에서 20여년간 연구해온 이 분야 석학이다. 이 교수 연구팀은 과학기술정보통신부의 기후변화대응사업 예산을 지원받아 앞으로 5년 이내에 이 기술을 ‘태양광 수소차 충전소’에 적용하기 위한 실증 연구를 수행 중이다.

UNIST 에너지화학공학과 허민 짱 (Hemin Zhang) 연구교수, UNIST 연구지원본부 정후영, 신태주 교수, 중국 대련 물리화학 연구소 (DICP)의 씨우리 왕(X. Wang), 홍씨엔 한(H. Han), 찬 리(C. Li)교수가 참여한 이번 연구는 국제학술지인 Nature Communications에 9월 15일 자로 공개됐다.

연구 수행은 과학기술정보통신부가 추진하는 기후변화대응 사업과 중견연구자지원 사업을 통해 이뤄졌다.

영남취재본부 김용우 기자 kimpro7777@asiae.co.kr