청정에너지 수소를 태양광/물을 원료로 생산, 미래 에너지 문제 해결에 기여 기대
국내 연구진이 햇빛(태양광에너지)을 활용해 물을 분해하는 새로운 나노소재를 개발했다. 물 분해를 이용한 차세대 청정에너지 수소생산에 활용하기 위한 후속연구로 이어질 것으로 기대된다.
성균관대학교 화학공학부 박종혁 교수팀(시신건 석사과정 연구원)과 포스텍 신소재공학과 김종규 교수팀(최일용 박사과정 연구원)이 공동으로 주도한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(도약) 등의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)지 온라인판 9월 2일자에 게재되었다.
나노꼬임 구조체의 이미지---순수한 텅스텐 산화물 나노꼬임 구조체(a, b) 및 비스무스 바냐듐 산화물이 코팅된 텅스텐 산화물 나노꼬임 구조체(c,d)의 고해상도 투과전자현미경 이미지 (왼쪽) 및 전자회절패턴 (오른쪽)을 나타낸다. 비스무스 바냐듐 산화물이 균일하게 텅스텐 산화물 표면을 코팅하고 있음을 확인할 수 있다.
태양광으로 물을 분해하여 수소를 생산하는 것은 성배라 불리며 1970년대부터 연구되어 왔지만 태양광 물분해 효율이 3% 수준에 그쳐 실용화하기에는 효율이 매우 낮았다.
연구팀은 텅스텐 산화물을 꼬아 만든 구조에 태양광 흡수에 유리한 비스무스 바냐듐 산화물을 코팅한 물질을 광전극(광촉매) 소재로 사용, 태양광 물분해 효율을 6% 이상으로 개선하여 실용화에 필요한 최소 효율이 10%로 향상시킬 수 있는 발판을 마련하였다.
다양한 나노구조체 내부의 태양광 에너지의 전기장의 세기
물분해에 쓰이고 있는 대표적인 광촉매 소재인 티타늄 금속산화물 대비 10배 이상의 수소가 생산된다는 설명이다.
이 같은 효율개선은 텅스텐 산화물의 특이한 꼬임구조로 인해 태양빛을 강하게 산란시키는 한편 산란된 빛을 흡수한 비스무스 바나듐 산화물이 만들어내는 전자가 물의 분해를 원활히 하기 때문이다.
태양전지처럼 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하면 바로 써야 하지만 화학에너지인 수소로 변환하면 휘발류나 LPG가스처럼 저장이나 수송이 가능해 특히 유용하다.
박 교수는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 태양광 에너지를 수소 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화 가능성을 크게 높일 수 있는 초석이 될 것”이라고 밝혔다.