수소 연료의 상용화에 도움을 주는 새로운 물질 개발

수소 연료의 상용화에 도움을 주는 새로운 물질 개발 1.7%의 전환효율을 지닌 산화물 기반의 물질 정대상 기자입력2014-02-24 11:09:33

태양으로부터 우리가 얻을 수 있는 것은 전기를 생산하는 것 이외에도 많은 것들이 있다. 태양은 화학연료를 만들어내는 반응을 촉진시키기도 해서, 수소를 이용하여 자동차, 트럭, 열차 등을 달리게 하는 동력을 만들어낼 수도 있다.

태양연료 생산(solar fuel production)에 있어서의 가장 큰 문제는 태양의 빛을 잡아낼 수 있는 반도체와 연료를 생산하는데 이용되는 촉매의 비용이 너무 비싸다는 점이다. 가격 면에서 볼 때, 이들의 효율을 극대화시킬 수 있는 물질들은 가솔린에 비해 경쟁력이 없다. 이에 대해 위스콘신-메디슨대(University of Wisconsin?Madison) 화학과 교수인 Kyoung-Shin Choi은 “태양연료 생산을 위한 다양한 장치를 상업적으로 이용하기 위해서는 최고의 태양-연료 전환효율을 보이면서도 재료 및 프로세싱 비용에 있어서 경쟁력이 있어야 한다”고 말했다.

지난주 Science지에 게재된 논문에서, Choi와 박사후과정 연구원인 Tae Woo Kim은 현재까지 어떤 산화물기반 광전극시스템(oxide-based photoelectrode system)보다 뛰어난 1.7%의 전환효율을 지닌 산화물 기반의 물질을 만들어낼 수 있었다. 이들은 물을 수소와 산소 가스로 만드는데 태양 에너지를 이용한다. 그는 그램(gram)당 32스퀘어미터의 표면적을 지닌 화합물을 만들기 위해 전기도금(electrodeposition)*기술을 이용해 비스무스 바나데이트(bismuth vanadate)로부터 태양전지를 만드는데 성공했다.

이에 대해 국립과학재단(National Science Foundation)으로부터 연구를 지원받은 choi는 “정교한 장치나 고온, 고압의 조건이 필요없이, 우리는 대면적을 지닌 미세 입자 나노반도체(nanoporous semiconductor)를 만들어낼 수 있었다. 보다 넓은 표면적을 지닌다는 것은 물과 접촉하는 면적이 증가한다는 의미이며 이는 보다 효율적인 물 분해(water splitting)가 가능하다”고 말했다.

다양한 장점에도 불구하고 choi는 반도체 촉매 접합(semiconductor catalyst junction)에 문제가 있다고 말했다. 그녀는 “결국은 이들을 합하는데 문제가 있다. 당신이 가장 효율적인 반도체와 가장 뛰어난 촉매를 가졌다고 하더라도 반도체와 촉매 계면(semiconductor catalyst interface)에 의해 효율성은 제한을 받을 수밖에 없다”고 덧붙였다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 상대적인 강도를 높이기 위해 비스무스 바나데이트위에 이들을 결합시키는 방법을 이용했다. 이를 통해 만들어진 이중층 촉매는 반도체와 촉매 접합 간의, 그리고 물과 촉매 접합 간의 최적화된 효율성을 만들어낼 수 있었다. 이에 대해 그녀는 “대면적 나노기공 반도체 전극과 저렴한 촉매들 간의 결합을 통해 뛰어난 효율을 지닌 저렴한 산화물 기반의 광전극시스템을 만들 수 있었다”고 말했다.

전기도금(electrodeposition)*: 용액 중에 전극판을 배치하여 직류 전압을 가하여 물질을 전극면에 부착시키는 것을 의미한다. 전석(전해에 의해 석출하였다는 의미)이라고도 한다. 전해에 의해 방전 생성 물질이 전극면에 부착하는 것은 양극, 음극 어느 경우에도 일어난다. 전기도금과 전주는 전착의 하나이다.

* 자료 - KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』