[데일리비즈온 김소윤 기자] 물과 햇빛만으로 청정연료인 수소를 생산하는 시대가 다가왔다. 국내 연구진에 의해 화석연료를 쓰지 않고도 청정 수소를 생산할 광촉매가 개발되고 있기 때문이다.

울산과학기술원(UNIST)는 이 대학 에너지화학공학과의 이재성 교수팀은 태양광과 물로 수소를 만들 수 있는 광촉매의 성능을 개선한 연구 결과를 27일 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 높다는 설명이다.

UNIST 측은 이에 대해 “태양광수소생산 시스템의 상용화 연구에서 중요한 이정표를 세웠다고 평가되고 있다”고 설명했다. 연구팀에 따르면 청정연료라고 여겨지는 수소는 대부분 천연가스와 같은 화석연료를 개질시켜 얻는다.

하지만 화석연료로 수소를 생산하는 과정에서 지구온난화를 일으키는 이산화탄소가 발생하는 역설이 있다. 이에 이른바 ‘그레이 수소’라 칭한다.

이와 관련 물과 같은 무궁무진한 원료와 재생에너지를 이용해 ‘그린 수소’를 생산하는 방법이 있지만 가격 경쟁력 부분에서 한계가 있다. 이에 생산에 소모되는 에너지를 낮추고 수소 생산량은 늘릴 수 있는 값싼 촉매가 필요한 것이다.

이재성 교수팀은 산화철을 ‘코어-쉘’(core-shell) 이중구조로 만드는 방법으로 에너지 소모는 줄이면서 동시에 수소 생산량을 늘리는 가격 경쟁력을 지니게 됐다. 에너지 소모를 나타내는 반응 개시 전압은 일반 산화철 전극에 비해 270밀리 볼트 만큼 떨어지면서 수소 생산량을 나태는 지표인 전류밀도는 기존 산화철 촉매보다 66.8% 증가했다는 설명이다.

앞서 개발된 대부분 촉매가 둘 중 하나에서만 성과를 보였는데 이러한 한계를 극복했다. 촉매 물질로 사용된 산화철(Fe2O3)은 녹슨 철에서 볼 수 있는 붉은 물질인데 구하기 쉬운 것은 물론 가격도 높지 않다.

아울러 흡수할 수 있는 태양광의 파장 대역도 넓다는 설명이다. 하지만 내부의 전하(전자) 전달 문제 때문에 실제 이 촉매를 썼을 때 수소생산 효율이 높게 나타나지 않았다.

이 가운데 연구팀은 산화철을 이중구조로 만들어 물질 내부 전하 전달 문제를 개선한 고효율 촉매를 개발했다. 이 촉매는 마치 연필과 같은 구조의 나노 막대라는 설명이다.

이 막대 입자들을 도자기 만들듯 구워(소결) 광촉매로 이뤄진 전극을 만들었다. 소결 반응에서 흑연과 같은 마이크로웨이브 흡수체를 써 단시간 동안 높은 온도에서 소결이 가능하다고 연구팀은 밝혔다.

연구팀 관계자는 “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 말했다.

한편, 국제공동 연구진이 생체 내 물질로 촉매를 만들어 햇빛으로 수소를 생산하는데 성과를 밝히기도 했다. 개발된 촉매는 기존 황화아연으로 만든 촉매보다 2배 이상의 수소를 만들어냈다는 설명이다.

이달 초 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 소재분석연구부 김해진 박사 연구팀이 주도하는 국제공동연구팀이 폴리도파민 기반의 광촉매를 개발했다고 밝혔다.

이 촉매를 이용하면 태양광으로 물을 분해하는 친환경적 방법으로 수소를 생산할 수 있다는 설명이다. 이들의 실험 결과 새로운 촉매로 기존의 황화아연 촉매 대비 최대 220% 효율을 보였다.

연구팀은 황화아연 나노막대기에 폴리도파민을 코팅해 생체고분자반도체를 만들었는데 이 광촉매는 생체고분자 물질인 폴리도파민과 접합했다. 이 과정에서 수소생산 효율과 광안정성이 함께 개선될 수 있었다.

또 24시간 동안 빛에 노출된 후에도 약 78%의 수소 생산 효율을 유지하는 광안정성을 보여 눈길을 끌었다. 연구팀 관계자는 “수소 생성이란 연구 목적을 위해 서로 다른 분야에 사용되던 소재를 융합해 새 가능성을 열었다”고 밝혔다.