녹슨 철로 수소생산 효율을 3배 향상시켰다

UNIST, 새로운 광전극 기술 개발
친환경 수소 상업화 앞당겨

태양빛을 이용해 물에서 수소를 뽑아낸다.

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장지현 교수팀이 녹슨 철을 활용해 태양광 수소 생산 시스템을 개발했다. 이 시스템은 햇빛으로 물을 분해해서 수소를 만들어내는데 지금까지 나왔던 방식들보다 수소생산 효율이 3.2배 향상됐다. 또한 100시간 동안 수소생산 효율이 떨어지지 않고 유지했다.

장지현 교수는 20일 "수소 생산 효율을 크게 높이는 동시에 상업화를 위한 중요한 기술적 진전을 이뤄냈다"며, "그린수소 생산의 상업화를 앞당기고, 다양한 반도체 시스템에 적용될 수 있을 것"이라고 말했다.

환경 오염 억제 및 탈탄소화를 위해 화석연료를 대체할 에너지원 개발이 필수적이다. 수소는 청정 에너지원으로 주목받고 있지만, 현재 수소를 생산하는 방법은 주로 화석연료를 활용하고 있어 진정한 친환경 수소 생산기술 개발이 필요하다. 태양에너지와 물을 활용한 광전기화학적 물 분해 수소 생산 방법은 친환경적인 에너지원만을 활용해 수소를 생산할 수 있어 미래 기술로 각광받고 있다.

태양에너지를 흡수할 수 있는 광전극은 여러 조건을 충족해야 한다. 안정성, 가격, 전기적 특성을 모두 만족하는 소재가 아직 개발되지 않았고, 특히 기술 상업화의 기준점인 광-수소 변환 효율 10%를 달성한 소재는 아직 없다. 그중에서도 높은 안정성과 저렴한 금속산화물은 적절한 후보 물질로 주목받고 있지만, 전기적 특성이 낮아 수소 생산 효율이 낮다.

산화철은 그동안 광전극으로 사용하기에 전기적 성능이 부족해 수소 생산 효율이 낮았다. 물을 분해하는 면적이 좁고, 전자 이동 거리가 길어 상업화가 어려웠다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장지현 교수팀이 녹슨 철을 활용해 태양광 수소 생산 시스템을 개발했다. 앞줄 왼쪽부터 시계방향으로, 윤기용 연구원, 장지현 교수, 블라지 연구원, 박주형 연구원. UNIST 제공

연구진은 이를 개선하기 위해 산화철의 구조적 특성에 주목했다.

게르마늄(Ge), 티타늄(Ti), 주석(Sn)을 함께 섞어 산화철의 전기적 특성을 개선하고, 열을 이용해 다공성 구조를 만들어 반응 면적을 넓히고 전자 이동 거리를 줄였다. 이를 통해 산화철의 단점을 극복하고 물 분해 효율을 높였다.

이 과정을 통해 평균 직경 10nm 이하의 다공성 산화철 전극을 만들었다. 그결과 태양광을 이용한 수소 전환 효율을 3.2배 높였으며, 100시간 동안 효율 저하 없이 지속 사용이 가능해졌다. 장기간 안정적인 수소 생산을 가능하게 하여 상업화에 한 발 더 다가설 수 있게 했다.

한편, 연구진은 산화철으로 만든 태양광 수소전환 시스템을 국제학술지 'ACS 에너지 레터스(Energy Letters)'에 발표했다.

monarch@fnnews.com 김만기 기자