KISTI의 과학향기

바다, 호수, 강은 물론 페트병 폐기물을 녹인 용액에서도 수소를 생산할 수 있게 된다. 김대형 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 부연구단장과 현택환 단장 공동연구팀이 그린 수소 생산 성능을 갖추고, 물에 뜨는 광촉매 플랫폼을 개발했다.

 

수소에너지 상용화를 위해서는 친환경적이면서도 높은 효율로 수소를 생산할 수 있는 공정과 시설 개발이 필수다. 고온고압 조건에서 메테인을 수증기와 반응시켜 수소를 생산하는 기존 수소 생산 방식은 많은 에너지가 필요하고 온실기체인 이산화탄소가 다량 배출된다는 단점이 있다.

 

연구팀이 개발한 광촉매 기반 수소 생산은 무한한 에너지원인 태양에너지를 직접 사용하고, 온실기체 배출이 없다. 광촉매는 태양광 에너지를 흡수해 물에서 수소를 만든다.

 

광촉매 성능 향상을 위한 많은 연구가 이뤄졌지만, 아직 상용화에 이르진 못했다. 실제 환경에서 작동하려면 가루 형태 광촉매를 필름이나 패널 형태로 제작하고, 이를 물속에서 작동시키기 위한 별도 용기와 물 밖으로 수소를 내보낼 장치 등이 추가로 필요해 수소 생산 경제성이 크게 떨어진다.

 

이에 연구팀은 물 위에 뜨는 젤 형태의 새로운 광촉매 플랫폼을 고안했다. 새로운 플랫폼은 이중 층 구조로, 상층인 광촉매 층과 하층인 지지층으로 구성된다. 연구진은 광촉매를 크라이오에어로겔 형태로 제작해 촉매의 밀도를 낮췄다. 

 

크라이오에어로겔은 내부가 기체로 채워져 있는 고체 물질로, 밀도가 낮다. 연구팀은 여기에 이중 층을 구멍이 송송 뚫린 다공성 구조로 만들어, 표면장력을 높이고 물에 잘 뜨도록 했다.

 

이렇게 만든 '하이드로젤 플랫폼'은 물 표면에서 작동하기 때문에, 수소가 다시 물로 바뀌는 역반응을 최소화해 생성물 손실이 적다. 또 촉매가 물에 잠기면 수심에 따라 유입되는 빛의 양이 적어지지만, 수면에 떠 있어 빛 산란 없이 태양에너지를 효율적으로 사용할 수 있다.

 

연구진은 태양광을 통한 수소 생산 성능도 검증했다. 1㎡ 면적 하이드로젤 촉매로 시간당 약 4리터(ℓ) 수소를 생산할 수 있었다. 다양한 미생물·부유물이 섞여 있는 열악한 바닷물 환경에서 2주 이상 장시간 구동했을 때도 성능 저하가 거의 없었다.

 

김대형 부연구단장은 “자연의 물뿐만 아니라 페트병 등 생활폐기물을 녹인 용액에서도 수소를 생산할 수 있다”며 “우리 연구진이 제시한 플랫폼이 폐기물 처리를 위한 대안이 될 수 있다는 의미”라고 말했다. 현택환 단장은 “수소뿐 아니라 다양한 유기화합물과 과산화수소 생성에도 적용할 수 있어 탄소중립 실현에 기여할 것”이라고 말했다.

 

연구 결과는 4월 28일 '네이처 나노테크놀로지(IF 40.523)' 온라인판에 게재됐다.