물에 띄우는 수소 제조용 광촉매, 생산성 배로 높여

현택환 IBS 나노입자 연구단 단장 연구진
광촉매 물에 띄우는 방식으로 생산성 2배 높여
다양한 촉매 활용해 고부가가치 물질 생산도 가능

기초과학연구원(IBS) 연구진이 광촉매의 수소 생산 효율을 높일 수 있는 플랫폼 기술을 개발했다. 물 속에서 수소를 만드는 기존 방식의 단점을 해결하기 위해 고분자 하이드로겔로 물에 띄워 사용하는 형태다. /IBS

친환경 에너지로 주목받는 수소를 환경 오염 없이 만들 수 있는 기술이 나왔다. 물 위에 뜰 수 있는 하이드로겔에 햇빛을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 광촉매를 넣는 방식으로, 촉매를 물 속에 넣는 방식이 가진 한계를 극복했다. 수소 생산 효율도 세계 최고 수준을 기록해 수소 에너지 상용화를 이끌 수 있을 것으로 기대를 모은다.

현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 단장과 김대형 부연구단장이 이끄는 연구진은 강이나 호수, 바다 위에 광촉매를 띄워 친환경 수소를 생산할 수 있는 기술을 개발했다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’에 28일 게재됐다.

IBS 연구진은 태양광 에너지를 흡수해 물을 수소와 산소로 분해하는 ‘광촉매’를 직접 물 위에 띄울 수 있는 플랫폼 기술을 개발했다. 광촉매는 햇빛의 광자를 흡수해 전자를 만들고, 전자가 물을 분해하도록 하는 기능을 한다. ‘그린수소’로 불리는 전기 분해 방식과 비슷하지만, 발전소에서 만들어진 전기 대신 태양광을 사용해 진정한 친환경 수소 생산법으로 주목받고 있다.

광촉매를 이용한 방식은 수소를 대량으로 생산하기에는 경제성이 크게 떨어졌다. 상용화가 쉽지 않았다는 말이다. 가루 형태의 촉매를 필름이나 패널 형태로 만들고, 물 속에서 작동하기 위한 별도의 시설과 수소를 물 밖으로 내보내기 위한 장치처럼 많은 설비 투자가 필요했기 때문이다. 광촉매 자체의 효율을 높이려는 연구가 활발히 이뤄지고 있지만, 상용화가 가능한 수준의 효율을 내지는 못하는 상황이다.

IBS 연구진은 광촉매 자체의 성능을 끌어올리는 대신 광촉매를 물 위에 띄워 경제성을 높이는 방법을 제시했다. 이전 방식은 촉매를 물 안에 넣어 별도의 수소 포집 장비가 필요하고, 흙탕물이 됐을 때 빛의 투과가 잘되지 않아 생산성이 떨어졌지만, 촉매를 물 위에 띄우면 수소가 자연스럽게 공중으로 배출되고, 수질의 영향도 받지 않는다.

IBS 연구진은 고분자를 기반으로 하이드로겔을 만들었다. 일반적인 하이드로겔은 강도가 낮아 물살에 의해 촉매가 손상되거나 손실될 것을 우려해 우레탄을 넣은 공중합체 방식을 활용했다. 하이드로겔 표면에는 물과 잘 섞이지 않는 층을 입혀 물에 뜨는 능력도 높였다.

이런 방식으로 수소 생산 효율을 측정한 실험에서는 1시간 동안 ㎡당 최대 4L의 수소를 만들 수 있는 것으로 나타났다. 같은 방식으로 물 속에서 수소를 만들었을 때보다 2배 이상 높은 효율을 보였다. 지금까지 광촉매를 이용한 수소 생산 방식 중 가장 높은 수치로, 촉매의 손상 가능성이 큰 바닷물에서도 2주 이상 성능이 유지됐다.

김대형 부연구단장은 “지금까지 많은 수소 생산을 위한 광촉매 재료 연구가 이뤄지고 있지만, 실제로 산업화로 이어지는 경우는 많이 없었다”며 “촉매 자체에 집중하지 않고 다른 관점으로 상용화의 문턱을 낮췄다”고 설명했다.

현재 상용화된 수소차, 중·소형 수소발전에는 석유화학 공정에서 만들어지는 수소를 사용하고 있다. 석유나 천연가스를 정제하면서 만들어지는 일산화탄소를 물과 결합해 이산화탄소와 함께 수소를 얻는 방식이다. 생산 과정에서 대기오염 물질이 배출되지만, 경제성이 좋아 가장 널리 사용되고 있다.

전기 에너지를 이용해 물을 분해해 산소와 수소를 얻는 방식도 있다. 다만 화력발전소에서 전기를 만들 때 오염물질이 배출되고, 천연가스발전이나 원자력발전처럼 오염물질이 배출되지 않는 방식을 사용하더라도 전기를 변환하고, 송전하는 과정에서 효율이 낮아진다는 단점이 있다.

IBS 연구진은 이번에 개발한 기술이 전 세계의 환경 규제가 강화되는 환경에서 수소 경제 생태계를 만드는 데 기여할 수 있을 것으로 보고 있다. 또 플랫폼 기술을 여러 종류의 촉매에 적용해 수소 생산만이 아니라 다른 종류의 촉매에도 적용할 수 있을 전망이다.

김대형 부연구단장은 “물을 분해하는 촉매 대신 페트병을 분해하는 촉매에 적용하면 폐기물을 줄이면서 수소를 얻는 효과를 낼 수도 있다”며 “다양한 분야에 활용할 수 있는 기초 기술이 될 것”이라고 말했다.

현택환 연구단장은 “바다에서의 그린수소 생산 가능성을 확인하고, 세계 최고 수준의 생산 성능을 확보했다”며 “수소뿐 아니라 다양한 유기화합물과 과산화수소(H₂O₂) 생산에도 적용해 탄소중립 실현에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

참고자료

Nature Nanotechnology, DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-023-01385-4

이번 연구에 참여한 연구진. 왼쪽부터 현택환 IBS 나노입자 연구단 단장, 김대형 부단장, 이왕희 연구원, 이찬우 연구원, 차기두 서울대 의대 교수. /IBS

- Copyright ⓒ 조선비즈 & Chosun.com -