태양빛을 이용한 수소 대량생산 돌파구 마련

광촉매 전극 성능 획기적으로 향상

□ 교육과학기술부(장관 이주호)는 ‘21세기프론티어 고효율 수소에너지사업단’(사업단장 김종원)의 지원을 받은 포항공과대학교 이재성교수팀이 태양빛을 이용하여 수소 생산 효율을 획기적으로 높이는 기술을 개발했다고 밝혔다.

□ 현재 수소를 생산하는 방법으로 천연가스, 석유, 석탄과 같은 화석연료에 열을 가하여 화석연료에 포함되어 있는 수소를 추출하거나, ?물을 전기분해 하여 수소를 제조하는 방법이 이용되고 있다.

??○ 그러나 화석연료를 이용하는 방법은 화석연료를 무한히 사용할 수 없고, 생산과정에서 온실가스인 이산화탄소 배출이 많아 미래의 청정에너지인 수소의 제조방법으로 부적합하며,

??○ 물을 전기분해 하는 방법은 전기의 생산단가가 높아 대규모 실용화 기술로서는 부적합 하다.

□ 이에 따라 현재 활발히 연구되고 있는 분야가 햇빛을 받으면 전기를 발생하는 광촉매 전극을 이용하여 직접 물을 분해해 수소를 대량 생산하는 기술이다.

??○ 이 기술은 지구상에 무궁무진한 태양에너지와 물로부터 수소에너지를 제조함으로써 비용이 적게 들고 생산과정에서 환경오염물질이 발생하지 않는다는 점에서 ‘꿈의 기술’로 불려왔다.

??○ 그러나 태양에너지를 수소로 전환하는 효율이 10%정도는 되어야 경제성이 있는데 현재 세계적으로 3%대에 머물고 있다.

□ 이재성 교수팀은 서로 다른 반도체를 접합하여 광전극을 만드는 기술과 광전극 표면을 다수의 나노막대로 조립하는 기술을 개발하여 광전자의 손실을 줄여 수소생산효율을 4%로 높일 수 있었다.

??○ 연구팀은 산화텅스텐 광전극(반도체) 위에 얇은 층의 비스무스 바나데이트(반도체)를 적층해 기존 산화텅스텐만으로 만든 광전극에 비해 빛의 흡수는 늘리면서, 광전자의 손실은 줄일 수 있었다.

??○ 또한, 다공성 막을 나노 틀로 삼아 광전극 표면에 광촉매 물질인 페롭스카이트 화합물을 나노막대 형태로 조립한 결과 나노구조에 의해 광전자 손실을 효과적으로 줄이는 것으로 확인하였다.

□ 이 교수는 “이 번 결과는 에너지 효율을 4%대로 향상시킬 수 있는 새로운 핵심 기반 기술의 개발에 의미가 있으며 지금과 같은 속도로 연구가 지속된다면 신재생에너지로부터 양질의 수소를 경제적으로 대량 생산할 수 있는 태양연료 기술을 오는 2020년 실용화할 수 있다”고 말했다.

□ 이번 연구 성과는 에너지환경분야의 최고 학술지 (IF=9.5) 인 영국의 Energy and Environment Science에 게재되었고 두 번째 나노막대 광전극 개발은 재료분야 최고의 학술지 (IF=10.9)인 Advanced Materials에 개재되었다.