광촉매 이용…부산물 없이 수소 생산 가능

태양전지 보다 효율 50% 높아

과학자들이 최초로 태양광을 효율적으로 흡수할 수 있는 단일 분자를 개발했다. 이 분자는 태양 에너지를 자동차 청정 연료로 사용할 수 있는 수소로 바꾸는 촉매 역할을 한다.

이 새로운 분자는 전체 가시광선에서 에너지를 수집하기 때문에, 현재의 태양 전지보다 50% 이상 더 많은 태양 에너지를 이용할 수 있다. 이번 발견은 인간이 화석 연료에서 벗어나 기후 변화에 영향을 주지 않는 에너지원으로 전환하는 데 도움을 줄 수 있다.

우리나라와 일본에서는 수소를 이용해서 배기가스를 아주 적게 배출하는 미래의 차량 연료로 사용하는 연구가 활발하다. 그러나 아직까지는 수소를 얻는데 비용과 시설이 많이 들어간다.

수소를 생산하는 일반적인 방법은 전기를 이용하여 물 분자를 수소와 산소로 분리하는 것이지만, 잠재적으로 더 단순하고 효율적인 방법은 광촉매 물 분리법이다. 이것은 전기 대신 빛을 에너지원으로 사용함으로써 공정을 더욱 간단하게 하는 방법이다.

태양 전지 보다 태양에너지를 50% 이상 수확할 수 있다. ⓒ 픽사베이

아직 아무도 광촉매 수소 생산을 상용화하지 못했지만, 매우 뜨거운 연구 영역 중 하나이다. 이번에 오하이오 주립대학(OSU) 연구팀은 지금까지 가장 효율적인 광촉매 분자를 발견했다는 내용의 논문을 네이처 케미스트리(Nature Chemistry) 저널에 발표했다.

태양에너지를 화학결합에 저장

“중요한 것은 우리가 태양에서 온 광자를 수소로 바꿀 수 있다는 것이다. 간단히 말해서, 우리는 햇빛 에너지를 나중에 사용할 수 있도록 화학 결합에 저장하고 있다”고 오하이오 주립대학(OSU) 클라우디아 투로(Claudia Turro) 교수는 말했다.

연구자들은, 이전에는 수집하기 어려웠던 태양 가시광선의 일부인 저 에너지 적외선을 포함하여, 햇빛의 전체 가시 스펙트럼에서 에너지를 수집하여 수소로 변환하는 것이 가능하다는 것을 처음으로 보여주었다. 수소는 이산화탄소나 탄소 같은 부산물을 생산하지 않는 깨끗한 연료이다.

투로 교수는 “이 시스템이 분자를 흥분된 상태로 만들 수 있고, 거기서 광자를 흡수하고 두 개의 전자를 저장해 수소를 만들 수 있다”고 말했다. 두 개의 광자에서 파생된 하나의 분자에 두 개의 전자를 저장하고, 전자 두 개를 함께 사용하여 수소를 만드는 것은 전례가 없는 일이다.

태양에서 온 에너지를 자동차의 연료로 바꾸려면, 먼저 에너지를 모으는 메커니즘을 필요로 한다. 그런 뒤 그 에너지는 연료로 변환되어야 한다. 변환에는 촉매라고 불리는 것이 필요하다. 즉, 화학 반응을 가속화하여 태양 에너지에서 수소와 같은 사용 가능한 에너지로의 변환을 가능하게 하는 것이다.

태양에너지를 모아 수소로 바꾸려는 대부분의 이전 시도들은 예를 들어 자외선같이 더 높은 에너지 파장에 초점을 맞추었다.

이전의 시도들은 또한 두 개 이상의 분자로 이루어진 촉매제에 의존했는데, 촉매들은 태양열로 연료를 만들 때 전자를 교환한다. 그러나 그 교환으로 에너지가 손실되기 때문에, 그 멀티 분자 시스템의 효율성이 떨어진다.

태양빛으로 물을 분해하므로 부산물이 안 나온다. ⓒ 픽사베이

투로 교수는 단일 분자 촉매에 의존하는 몇 가지 시도 역시 비효율적이었다고 말했다. 일부는 햇빛의 전체 가시광선에서 에너지를 수집하지 않았기 때문이며, 일부는 촉매의 기능이 빠르게 저하되었기 때문이라고 말했다.

비싼 로듐, 저렴하게 바꿔야

투로 연구팀은 로듐(rhodium) 분자 하나로 어떻게 촉매를 만들 수 있는지를 연구했다. 이에 연구팀은 적외선에서 자외선에 이르는 전체 가시광선에서 에너지를 모으는 방법을 알아냈다.

새 방식은 자외선 광자로 작동하는 기존의 단일 분자 시스템보다 거의 25배나 효율적이라고 연구팀은 밝혔다. 연구진은 활성 분자가 함유된 산성 용액에 LED 조명을 비추며 실험한 결과 수소 가스가 방출된 사실을 밝혀냈다.

하지만 상업적으로 실행 가능한 청정 연료 생산 수단이 되기에 앞서 해결해야 할 문제가 여전히 남아있다. 가장 중요한 것은 로듐이 희귀하고 비싸다는 것이다. 이에 연구팀은 로듐을 더 저렴한 재료로 어떻게 대체할 것이며, 오랫동안 촉매역할을 할 수 있는지 노력하고 있다.

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