10년 뒤엔 그린수소… 물·햇빛으로 수소 생산 저가 광촉매 개발

UNIST가 개발한 광촉매의 구조 및 수소 생성 반응 모식도. 코어-쉘 나노막대 구조의 산화철 광촉매 전극이 햇빛을 흡수하여 광전자(photoelectron, 음전하)와 전공(hole, 양전하)을 생성하고 이들이 물을 분해하여 수소 (H2)와 산소 (O2)를 만드는 과정을 보여주고 있다. [그림 UNIST]

온실가스가 나오지 않는 ‘그린 수소’(Green Hydrogen)의 시대가 다가오는 걸까. 물과 햇빛만으로 수소를 생산할 수 있는 저렴한 광촉매가 개발됐다. 울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 이재성 교수팀이 태양광과 물로 청정 수소를 만드는 광촉매의 성능을 개선해 생산 효율을 높였다고 27일 밝혔다. 연구결과는  국제학술지인 네이처 커뮤니케이션스에 9월 15일 자로 공개됐다.

UNIST 에너지공학과 이재성 교수팀

광촉매란 빛을 받아 높은 에너지를 가진 광전자와 전공을 발생시켜 물(H2O)을 분해하고, 수소(H2)와 산소(O2)를 만드는 반도체 물질을 말한다.  전기분해를 통해 물을 수소와 산소로 분리해내는 ‘수전해’는‘전기 생산→물 분해’라는 두가지 과정을 거치지만,  광촉매는 태양빛을 이용해 곧바로 물을 수소와 산소로 분리해 낸다.  문제는 효율성이다. 그간은 광촉매를 이용한 수소생산에 효율이 높지 않았다.

이재성 교수팀은 산화철을 ‘코어-쉘’(core-shell) 이중구조로 만드는 방법으로 에너지 소모는 줄이면서 동시에 수소 생산량을 늘리는 가격 경쟁력을 확보했다. 에너지 소모를 나타내는 반응 개시 전압은 일반 산화철 전극에 비해 270mV(밀리 볼트) 만큼 떨어지고, 수소 생산량을 나태는 지표인 전류밀도는 기존 산화철 촉매보다 66.8% 증가했다. 촉매 물질로 사용된 산화철(Fe2O3)은 녹슨 철에서 볼 수 있는 붉은 물질이다. 가격도 저렴하고 구하기도 쉽다. 또 흡수할 수 있는 태양광의 파장 대역도 넓다.

UNIST 에너지화학공학과 이재성 교수팀. 이재성 교수(아래 왼쪽), 허민 짱(Hemin Zhang) 연구교수, 신태주 교수, 정후영 교수, 변우진 연구원. [사진 UNIST]

청정연료라고 여겨지는 수소는 대부분 천연가스와 같은 화석연료를 개질(改質)시켜 얻는다. 그러나 화석연료로 수소를 생산하는 과정에서 지구온난화를 일으키는 이산화탄소가 발생하는 역설이 있어 일명 ‘그레이 수소’라 불린다. 이 때문에 한국을 비롯한 세계 과학자들은 신재생에너지 발전을 통한 수전해나, 태양광을 직접 이용해 물을 수소와 산소로 분리해내는 ‘인공광합성’연구에 주력하고 있다.

이 교수는 “추가 연구에서 상용화 분기점인 수소 생산 효율 10%를 달성하는 것이 목표”라며 “10년 뒤인 2030년쯤이면 광촉매를 이용해 그린 수소를 대량 생산할 수 있는  상용화 시점에 도달할 수 있을 것”이라고 전망했다.

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

최준호 과학ㆍ미래 전문기자 joonho@joongang.co.kr