기초과학연구원 나노입자 연구단의 김대형 부연구단장(화학생물공학부 교수)과 현택환 단장(화학생물공학부 석좌교수) 공동연구팀에서 세계 최고 수준의 수소 생산 성능을 갖춘 물에 뜨는 광촉매 플랫폼을 새롭게 개발하였습니다. 이 플랫폼은 바다, 호수, 강은 물론 페트병 폐기물을 녹인 용액에서도 효율적으로 수소를 생산할 수 있는 방향을 제시합니다. 그린수소 대량생산의 가능성을 연 이번 연구를 이해하기 위해 알아야 할 개념들을 참여 연구진이 직접 풀어드립니다.

기존 수소 생산 방식은

전 세계적으로 수소에너지에 대한 관심이 급증하고 있으며, 일부 전문가들은 미래에 수소를 가장 중요한 에너지원으로 사용하는 사회가 오리라는 관측을 내놓기도 합니다. 이러한 수소에너지의 상용화를 위해서는 친환경적이면서 높은 효율로 수소를 생산할 수 있는 공정과 시설 개발이 필수입니다. 하지만 기존 수소 생산 방식인 천연가스 수증기 개질1)은 많은 에너지가 필요하고, 온실기체인 이산화탄소(CO2)가 다량 배출된다는 단점이 있습니다.

그린수소란?

수소는 생산 방식에 따라 브라운‧그레이‧블루‧그린수소로 나뉘는데, 그린수소는 신재생 에너지를 이용하여 생산한 수소로, 생성 과정에서 온실기체가 크게 발생하지 않는 특징을 갖습니다. 궁극적인 수소 사회의 실현을 위해서는 그린수소의 상용화가 필요합니다.

광촉매 기반 그린수소 생산

광촉매란 빛에너지를 이용하여 화학 반응을 일으켜 원하는 물질을 생산할 수 있게 하는 물질을 말합니다. 이를 이용한 광촉매 기반 수소 생산은 무한한 에너지원인 태양에너지를 직접 사용하고, 온실기체 배출이 없다는 점에서 주목받고 있습니다. 광촉매는 태양광 에너지를 흡수해 물(H2O)에서 수소(H2)를 만들 수 있는 특징을 가집니다. 그러나 광촉매의 성능 향상을 위한 많은 연구에도 불구하고 아직 상용화에 이르지는 못했습니다. 실제 환경에 활용하려면 가루 형태의 광촉매를 패널 형태로 제작해야 할 뿐 아니라, 물속에서 작동하면서 수소를 물 밖으로 보내는 별도 장치 개발 등 추가적인 과정과 비용이 필요하여 수소 생산의 효율성과 경제성이 떨어지기 때문입니다.

[그림 1] 구리/이산화티타늄 촉매 사진과 그 미세 구조입니다.

[그림 2] 백금/이산화티타늄 촉매 제작 과정입니다.

물에 뜰 수 있는 광촉매 플랫폼

이에, 물 위에 뜨는 젤 형태의 새로운 광촉매 플랫폼을 고안했습니다. 이중층 구조의 플랫폼으로 상층에는 공기 중에 노출된 광촉매층을, 하층에는 물을 흡수･전달하는 지지층을 배치하여 별도 추가 장치 없이도 효율적으로 작동할 수 있도록 구성하였습니다. 광촉매층은 공기 중에 노출되어 있어 효과적으로 빛을 전달받을 수 있습니다.

[그림 3] 구멍이 숭숭 뚫려 있는 다공성의 고무-하이드로젤 복합체를 사용해 높은 표면장력을 달성하여 물에 떠 있을 수 있고, 촉매를 복합체 내에 안정적으로 고정할 수 있으며, 하이드로젤의 물질 전달 특성 덕분에 지속적으로 물을 광촉매로 전달할 수 있습니다.

또한 광촉매를 패널 형태가 아닌 기체로 채워진 고체(에어로겔 나노복합체) 형태로 제작하여 촉매 자체의 밀도를 낮추고, 성능이 우수한 백금(Pt)계 촉매, 값싼 구리(Cu) 기반 촉매 등 모든 광촉매를 쉽게 적용할 수 있도록 구성하였습니다. 아울러 구멍이 송송 뚫린 다공성 구조의 고무-하이드로젤 복합체를 사용하여 높은 표면 장력으로 물에 잘 뜸과 동시에, 함수율이 높은 하이드로젤 특성을 활용하여 물이 광촉매에 쉽게 전달되도록 제작하였습니다.

이렇게 만들어진 플랫폼은 물 표면에서 작동하기 때문에 수소가 다시 물로 바뀌는 역반응을 최소화하여 생성물의 손실이 적습니다. 광촉매가 물속에 잠기지 않기 때문에 수심에 따른 빛의 감소나 산란 없이 태양에너지를 효율적으로 사용합니다. 또한 많은 에너지가 필요한 촉매의 기계적 혼합(교반) 공정이 필요 없으며, 간단하게 제작할 수 있다는 것도 장점입니다.

실용성 검증을 위한 대(大)면적 실험

한편, 태양광을 통한 수소 생산 성능도 검증했습니다. 1㎡ 면적에서 시간당 약 4L의 수소를 생산(환산치)할 수 있었으며, 이는 세계 최고 수준의 성능입니다. 또한, 다양한 미생물과 부유물이 섞여 있는 열악한 바닷물 환경에서 2주 이상 장시간 구동했을 때도 성능 저하가 거의 없이, 높은 생산 성능을 유지했습니다.

[그림 4] 대면적 수소 생산 실험 사진과 그 결과입니다.

이번 연구는 광촉매 기술 상용화에 큰 걸림돌이었던 수소생산의 효율성과 경제성을 대폭 개선하고 다양한 화합물 생성에도 적용할 수 있도록 활용성과 확장성을 강화한 것에 큰 의미가 있습니다. 바다, 호수, 강은 물론 페트병 폐기물을 녹인 용액에서도 수소를 생산할 수 있는 가능성을 제시하고, 세계 최고 수준의 수소 생산 성능을 갖춘 물에 뜨는 광(光)촉매 플랫폼을 새롭게 개발한 것입니다.

(위 연구결과는 4월 28일 0시(한국시간) 세계 최고 학술지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 40.523)’ 온라인판에 실렸습니다.)

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