 세계 최고 수준의 태양광-수소 생산용 전극 소재기술 고효율·저비용 수소에너지 생산 기술 상용화 기대
수소는 가벼우면서 에너지 밀도가 높아 적은 양으로도 많은 에너지를 낼 수 있다. 그리고 수소는 사용 후 이러한 오염물질이 만들어지지 않는다. 화석연료가 연소될 때 일산화탄소와 질소 산화물, 황산화물, 탄화수소를 비롯해 미세먼지 등 오염물질이 발생해 사람들의 건강에 악영향을 끼친다. 그래서 친환경 자동차 기술로 전기자동차와 더불어 수소자동차 개발이 이루어지고 있다. 수소의 열효율이 높기 때문에 수소자동차는 내연기관 연료보다 효율성이 훨씬 높다는 장점도 있다. 하지만 경제성과 전환효율이 수소 에너지 상용화의 걸림돌이 되어왔다. 자료: 한국연구재단
한국과 미국의 공동 연구진이 태양광으로 수소에너지를 생산하는 전극 소재의 효율을 획기적으로 끌어올렸다고 한국연구재단이 밝혔다. 아주대학교의 조인선 교수, 미국 스탠포드대학교의 샤올린 쳉(Xiolin-Zheng)과 한현수 연구원이 세계 최고 수준의 ‘태양광-수소 전환 효율’을 갖는 전극 소재 개발에 성공했다고 한다. 재생에너지 가운데 태양광은 가장 대중적인 에너지원으로 손꼽힌다. 풍부한 태양광을 효과적으로 저장하고 잘 활용할 수 있다면 환경오염의 위험이 큰 화석연료 발전소나 원전의 사용을 줄일 수 있을 것이다. 태양광 에너지를 사용가능한 형태로 저장하는 방법은 크게 두 가지가 있다고 한다. 하나는 전기 에너지의 형태로 저장하는 ‘태양전지’가 있고, 또 하나는 화학에너지로 전환하는 ‘광전기화학셀’이 있다. 비교적 생소한 광전기화학셀은 다시, 태양광 에너지를 이용해 물을 분해하여 수소에너지 형태로 바꾸는 방식과, 이산화탄소를 탄화수소화합물(메탄이나 메탄올, 에탄올 등)로 전환하는 방식으로 나뉜다. 전자를 ‘물 분해’라 하고, 후자를 ‘인공광합성’이라고 한다. 태양광-수소 기술은 반도체와 촉매를 이용해 태양광으로 ‘물 분해’를 일으켜 수소를 생산할 수 있는 친환경 에너지 기술이다.
에너지 효율이 높은 수소 그러나 뛰어난 장점에도 불구하고, 수소를 생산하기 위해 여전히 화석연료를 필요로 하고 있고, 이 과정에서 이산화탄소 등이 발생할 수밖에 없다. 태양광-수소 생산 기술은 신재생에너지에 대한 관심이 높아지면서 ‘꿈의 기술’이라고 불릴 정도로 주목받고 있지만, 기존의 광 전극 소자 기술로는 ‘태양광-수소 전환 효율’을 높이는 데 한계가 있다. 태양광-수소 생산 기술의 상용화를 위해서는 10% 이상의 전환 효율이 필요하다고 한데, 대표적인 광 전극 소재인 티타늄 산화물(TiO2), 산화철(Fe2O3) 등은 소재의 높은 전자·정공 재결합률, 낮은 전기 전도도 등이 효율 저하의 가장 큰 걸림돌로 작용해왔다. 이러한 전자·정공 재결합율을 낮추고 전하수송도를 증가시키기 위하여, 광전극 소재의 나노구조체 제조, 도핑, 이종접합 및 전기촉매 코팅 등 다양한 방법이 연구되어 왔다. 하지만 이러한 기술들 역시, 태양광-수소 전환효율의 향상에 여전히 제한적인 효과만을 보여주었다.
태양광-수소 전환 효율, 16배 이상 향상 연구팀은 모든 소재가 결정구조의 방향에 따라 물리적 성질이 달라지는 비등방성을 나타낸다는 점에 주목했다. 이 원리를 기반으로, 증착 온도 등 다양한 변수를 조절해 기존에 무작위로 배치되던 촉매 결정들을 표면에너지가 가장 낮은 면이 전극 기판과 평행하도록 우선 배향시켜 물질 고유의 특성을 조정하는 연구를 시작하였다. 우선 배향은 기판 상에서 결정이 성장할 때 가장 안정한 에너지 상태를 갖도록 하기 위해, 상기 결정이 갖는 여러 결정 면(crystal plane) 중에서 표면에너지가 최소인 면이 기판의 면과 평행하게 되도록 성장하는 것을 말한다. 연구팀은 태양광-수소 생산 소자로 사용되는 대표적인 산화물 반도체 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 레이저 증착법(laser ablation)으로 투명전극 위에 증착해 결정 구조가 특정 방향으로 우선 배향된 광 전극 소재를 성공적으로 제조했다. 비스무스 바나데이트는 대표적인 산화물 광전극 물질 중 하나로 태양광 흡수율(밴드갭 2.4eV)이 높고 우수한 광촉매 성질을 나타내는 반도체 물질이다. 이렇게 제조한 광 전극은 무작위로 배향된 기존 광 전극 소재보다 12배 이상 높은 전하 수송 효율과 3배 이상 높은 표면 촉매 반응 효율을 보였다. 그 결과 태양광-수소 전환 효율이 16배 이상 향상되었으며, 이는 이론상 효율의 82% 정도로 세계 최고 수준이라고 한다. 이 연구의 책임자인 아주대학교 조인선 교수는 2010년부터 태양광-수소 생산을 위한 반도체 광전극 연구를 꾸준히 진행하여 왔다. 2010년부터 현재까지 다양한 유·무기 소재에 대한 축적된 기술을 바탕으로 반도체 광전극 및 광촉매에 대한 소재합성 기술 및 분석 지식을 확보하고 이를 하나로 통합하고 최적화하는 기술을 성공적으로 개발했다. 개발된 반도체 광전극 기술을 바탕으로 이 연구에서는 성공적으로 우선 배향된 산화물 광전극을 개발하였으며 세계최고 효율을 달성하기에 이르렀다. c축 방향으로 우선 배향된 비스무스 바나데이트 광전극은 ① 표면의 산소 발생 반응을 향상시키고, ② 전자수송도를 증가시키며, ③ 투명전극 기판으로의 전자 수집을 용이하게 하여 기존 무작위 배향 광전극 대비 16배 이상 향상된 광전류 밀도, 즉 태양광-수소 생산 효율을 나타낸다. 연구팀은 이번 연구에 대해 “우선 배향된 비스무스 바나데이트 광전극의 경우 세계 최고 수준의 성능을 보여줌으로써 태양광-수소 생산 소자의 상용화에 한걸음 더 다가갈 수 있는 계기를 마련했다”고 평가했다. 이 연구에서 제시한 소재의 결정 구조 제어 기술은 기존 소재가 가지는 제한된 고유 성질을 변화시키거나 향상 시킬 수 있는 획기적인 기술로, 비단 광전극 소재뿐만 아니라 태양전지, 배터리, 반도체 소자와 같은 다양한 에너지의 생산과 저장 기술 소자의 소재 합성에 적용이 가능하기 때문에 그 응용 범위가 상당히 넓다고 한다.
※참고:“태양광에너지 저장 기술 : 물분해를 통한 수소에너지 생산” 문건희(환경공학과 공학박사), Agit-POSTECH-TechReview, 2016.5.30
<Energy News>
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