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태양빛과 물만으로 '그린 수소' 만드는 광촉매 전극 개발...Nature Comm공개
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태양빛과 물만으로 '그린 수소' 만드는 광촉매 전극 개발...Nature Comm공개
  • 김민철 기자
  • 승인 2020.09.28 16:54
  • 댓글 0
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수소 생산 에너지 소모 낮추고 생산량 늘려...Nature Comm. 논문 게재
UNIST, 이재성 교수팀, 태양광 수소 생산시스템용 이중 기능성 광촉매 전극 개발
[연구진사진] (좌측 하단부터) 이재성 교수, 허민 짱(Hemin Zhang) 연구교수, 신태주 교수, 정후영 교수, 변우진 연구원 /UNIST제공

청정연료 수소 생산시대를 위한 광촉매의 성능을 개선한 연구가 새로 발표됐다. 

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학부 이재성 교수 연구팀은 수소 생산에 필요한 에너지 소모는 낮추고 생산량은 늘리는 이중 기능성 광촉매 전극을 개발했다고 28일 밝혔다. 

연구팀은 오랫동안 태양광 수소 생산 기술의 실용화를 위한 연구를 수행하며 중국 대련 물리화학연구소와 협력을 통해 산화철 광촉매 전극의 효율을 높일 수 있는 새로운 변형기술을 개발했다고 설명했다. 

이번 연구는 태양광수소 생산 시스템의 사용화 연구에서 중요한 이정표를 세웠다고 평가되고 있다. 

수소는 대부분 화석연료를 개질시켜 얻는데, 개질( 改質 , reforming)이란  열 또는 촉매의 힘을 이용해 성상을 개선한다는 의미다. 

화석연료를 이용해 수소를 생산하는 과정에서 지구온난화를 일으키는 이산화탄소를 발생시키니 이를 '그레이 수소'라고도 불리는데, 재생에너지를 이용해 '그린 수소'를 생산하는 방법은 아직 가격경쟁력이 부족하다고 한다. 

이런 이유로 생산에 소모되는 에너지를 낮추고 수소 생산량은 늘릴 수 있는 값싼 촉매가 필요한 것이다. 

개발된 촉매의 구조 및 수소 생성 반응 모식도. 코어-쉘 나노막대 구조의 산화철 광촉매 전극이 햇빛을 흡수하여 광전자(photoelectron, 음전하)와 전공(hole, 양전하)을 생성하고 이들이 물을 분해하여 수소 (H2)와 산소 (O2)를 만드는 과정을 보여주는 모식도 /UNIST제공

이 교수 연구팀은 산화철(Fe2O3)을 '코어-쉘(core-shell)' 이중구조로 만드는 방법으로 가격 경쟁력을 확보했다. 에너지 소모를 나타내는 반응 개신 전압은 일반 산화철 전극에 비해 270mV(밀리볼트) 만큼 떨어지고, 전류밀도(수소 생산량 지표)는 기존 산화철 촉매보다 66.8% 증가했다. 

이 촉매 물질로 사용된 산화철은 녹슨 철에서 볼 수 있는 붉은 물질로 구하기도 쉽고 가격도 저렴하며, 흡수할 수 있는 태양광의 파장 대역도 넓다고 한다. 

그러나 내부의 전하 전달 문제 때문에 실제 이 촉매 사용은 수소 생산 효율이 높지 않았는데, 연구팀이 산화철을 이중구조로 만들어 물질 내부 전하 전달 문제를 개선한 고효율 촉매를 개발한 것이다. 

이것은 탄탈럼(Ta)이 첨가(도핑)된 산화철 중심부를 도핑되지 않은 산화철 껍질이 감싸고 있는 구조로, 마치 연필같은 구조의 나노 막대다. 

이 막대 입자들을 도자기 굽듯이 소결해 광촉매로 이루어진 전극을 만들어냈다. 이 소결 반응에서 흑연과 같은 마이크로웨이브 흡수체를 써 단시간 동안 높은 온도에서 소결이 가능하다고.

태양광 수소 생산을 20여 년간 연구해온 UNIST 이재성 교수는 "추가적인 연구를 통해 분기점인 수소 생산 효율 10%를 달성하는 것이 목표"라며 이번 개발로 이 목표에 한 발짝 더 다가서게 됐다고 말했다. 

해당 논문 'Gradient tantalum-doped hematite homojunction photoanode improves both photocurrents and turnon voltage for solar water splitting' / Nature Communications 캡쳐

이번 연구는 국제학술지인 Nature Communications에 9월 15일 자로 논문명 'Gradient tantalum-doped hematite homojunction photoanode improves both photocurrents and turnon voltage for solar water splitting'으로 공개됐다.

UNIST 에너지화학공학과 Hemin Zhang 연구교수, UNIST 연구지원본부 정후영, 신태주 교수, 중국 대련 물리화학 연구소(DICP)의 X. Wang, H. Han, C. Li 교수가 참여했다. 

태양 빛과 물로부터 수소를 제조하는 기술이 성공하면 비용은 저렴하고 환경오염 물질은 전혀 발생하지 않는 기술을 확보하게 된다. 

연구팀은 경쟁력있는 그린 수소생산 방법 확보로 세계 에너지 시장에서 우리나라가 선도적인 역할을 할 수 있을것으로 기대했다.


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