울산과기원, 태양광 수소 생산 효율 높인 광촉매 개발

생산에 필요한 에너지 소모는 낮추고 생산량은 늘려

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 이재성 교수팀이 태양광과 물로 청정 수소를 만드는 광촉매의 성능을 개선해 생산 효율을 높였다고 27일 밝혔다.

연구팀에 따르면 광촉매는 ‘태양광 수소 생산 시스템’의 전극을 구성하는 반도체 물질로, 태양광 에너지를 흡수해 물에서 수소를 만든다.

연구팀은 수소 생산에 필요한 에너지 소모는 낮추고, 동시에 생산량은 늘린 이중 기능성 광촉매를 개발했다.

청정 연료라고 여겨지는 수소는 대부분 천연가스와 같은 화석 연료를 개질 시켜 얻는다.

이 과정에서 지구 온난화를 일으키는 이산화탄소가 발생하는 역설이 있어 일명 ‘그레이 수소’라 불리기도 한다.

물을 이용한 ‘그린 수소’를 생산하는 방법은 아직 가격 경쟁력이 부족해 생산에 소모되는 에너지를 낮추고 수소 생산량을 늘릴 수 있는 값싼 촉매가 필요하다.

특히 산화철은 물속에서 안정적이고 값이 싸며, 환경에 무해할 뿐만 아니라 넓은 파장대의 햇빛을 흡수할 수 있는 유망한 광촉매로 주목받고 있다.

그러나 전자적 성질이 열악해 그대로 사용할 경우 매우 낮은 효율을 보인다.

연구팀은 산화철을 ‘코어-셸'(core-shell) 이중 구조로 만드는 방법으로 이 문제를 해결했다.

연구팀은 탄탈럼(Ta)이 도핑(첨가)된 산화철 중심부(core)에 도핑되지 않은 산화철 껍질(shell)을 감싸 나노 막대 구조로 합성한 후, 단시간 동안 높은 온도에서 구워(소결) 광촉매 전극을 만들었다.

그 결과 에너지 소모를 나타내는 반응 개시 전압은 기존 산화철 촉매보다 270㎷만큼 떨어졌고, 수소 생산량을 나타내는 지표인 전류 밀도는 66.8% 증가했다.

그동안 개발된 대부분 촉매가 둘 중 하나의 기능을 보여 온 한계를 극복했다고 연구팀은 설명했다.

이 교수는 “추가 연구에서 상용화 분기점인 수소 생산 효율 10%를 달성하는 것이 목표”라며 “이번에 개발한 촉매로 이 목표에 한발짝 더 다가서게 됐다”고 말했다.

이번 연구에는 울산과기원 에너지화학공학과 허민 짱(Hemin Zhang) 연구교수, 연구지원본부 정후영·신태주 교수, 중국 대련 물리화학연구소의 씨우리 왕(X. Wang)·홍씨엔 한(H. Han), 찬 리(C. Li) 교수가 참여했다.

연구는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications)에 9월 15일 자로 공개됐다.

연구 수행은 과학기술정보통신부가 추진하는 기후 변화 대응 사업과 중견 연구자 지원 사업으로 이뤄졌다.

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