독성폐기물로 환경 정화하고, 수소도 얻고… 광전기화학시스템 개발

조인선 아주대 교수팀, 헤마타이트 광산화극 개발
하이드라진 선택적 정화 동시에 태양광 기반 수소생산

조인선 아주대 교수.

독성 산업 폐기물을 정화하면서 청정에너지 수소를 얻을 수 있는 기술이 개발됐다. 한국연구재단은 조인선(사진) 아주대 교수 연구팀이 독성 화학물질인 하이드라진을 선택적으로 산화(정화)시키면서 동시에 태양광 기반 수소 생산 효율을 크게 높일 수 있는 새로운 '광전기화학'(PEC) 시스템을 개발했다고 20일 밝혔다.

태양광을 이용해 물에서 직접 수소를 생산하는 광전기화학 기술은 탄소 배출이 없는 친환경 에너지 기술이다. 하지만 느린 산소 발생 반응과 광산화극 소재의 물성 한계로 효율을 높이는 데 한계가 있다. 그 중에서 헤마타이트(산화철)는 가격이 저렴하고 화학적으로 안정적이며 대면적 적용이 가능해 유망한 반도체 소재로 평가됐으나, 전하 이동 및 분리 특성이 매우 낮아 광전류와 수소 생산 효율이 떨어지는 근본적인 문제를 안고 있다.

헤마타이트 광전극과 하이드라진 산화 기반 광전기화학 수소 생산 개념도.

연구팀은 여러 번 나눠 구조를 쌓고 불꽃으로 구워 성능을 높이는 MGFA 공정으로 결정방향이 정렬된 계층적 다공 구조의 독특한 헤마타이트 광산화극을 구현했다. 헤마타이트 광산화극은 물 산화 반응을 100시간 이상 안정적으로 장시간 유지해 기존 헤마타이트 기반 광산화극의 구조적 한계를 극복했다.

연구팀은 느린 산화 반응을 해결하기 위해 하이드라진 폐기물을 산화 반응의 연료로 활용해 수소 생산 효율을 제한하던 반응 장벽을 효과적으로 우회함으로써 광전류를 최고 수준까지 향상시켰다.

헤미타이트 광산화극을 상용 태양전지와 결합한 결과, 외부 전원 없이 태양광만으로 역대 최고 수준인 8.7%의 수소 변환 효율을 달성했다. 저비용 소재로 환경 정화와 고효율 수소 생산이 동시에 가능함을 입증한 결과라고 연구팀은 설명했다.

조 교수는 "독성 폐기물을 에너지원으로 전환하면서 동시에 수소를 생산할 수 있음을 보여준 사례"라며 "환경 정화와 청정에너지 생산을 하나의 시스템에서 동시에 달성할 수 있는 새로운 방향을 제시했다는 데 의미가 크다"고 말했다.

연구결과는 나노·마이크로 구조 재료 분야 국제 학술지 '나노-마이크로 레터스' 지난 8일 온라인에 실렸다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr