전 세계적으로 수소에너지에 대한 관심이 급증하고 있다. 일부 전문가들은 미래에는 수소를 가장 중요한 에너지원으로 사용할 것이라는 관측을 내놓기도 한다. 수소에너지 상용화를 위해서는 친환경적이면서 높은 효율로 수소를 생산할 수 있는 공정과 시설 개발이 필수다.
기존 수소 생산 방식인 천연가스 수증기 개질은 많은 에너지가 필요하고, 온실기체인 이산화탄소가 다량 배출된다는 단점이 있다. 이에 비해 광(光)촉매 기반 수소 생산은 무한한 에너지원인 태양에너지를 직접 사용하고, 온실기체 배출이 없다는 점에서 주목받고 있다. 광촉매는 태양광 에너지를 흡수해 물(H₂O)에서 수소(H₂)를 만들 수 있는 특징을 가진다.
그러나 광촉매의 성능 향상을 위한 많은 연구에도 불구하고 아직 상용화에 이르지는 못했다. 실제 환경에 활용하려면 가루 형태의 광촉매를 패널 형태로 제작해야 하고, 물속에서 작동하면서 수소를 물 밖으로 보내는 별도 장치 개발 등 추가적인 과정과 비용이 필요해 수소 생산의 효율성과 경제성이 떨어지기 때문이다.

친환경 수소 생산 상용화를 돕는 광촉매 플랫폼 개발

이에 우리 연구진은 물 위에 뜨는 젤 형태의 새로운 광촉매 플랫폼을 고안했다. 이중층 구조의 이 플랫폼은 상층에는 공기 중에 노출된 광촉매층을, 하층에는 물을 흡수 전달하는 지지층이 배치돼 별도 추가 장치 없이도 효율적으로 작동할 수 있도록 했다. 또한 광촉매를 패널 형태가 아닌 기체로 채워진 고체(에어로젤 나노복합체) 형태로 제작해 촉매 자체의 밀도를 낮추고, 성능이 우수한 백금(Pt)계 촉매, 값싼 구리(Cu) 기반 촉매 등 모든 광촉매를 쉽게 적용할 수 있도록 구성했다.
아울러 구멍이 송송 뚫린 다공성 구조의 고무-하이드로젤 복합체를 사용해 높은 표면장력으로 물에 잘 뜸과 동시에, 함수율이 높은 하이드로젤 특성을 활용해서 물이 광촉매에 쉽게 전달되도록 제작했다.
이렇게 만들어진 플랫폼은 물 표면에서 작동하기 때문에 수소가 다시 물로 바뀌는 역반응을 최소화해 생성물의 손실이 적다. 광촉매가 물속에 잠기지 않으므로 수심에 따른 빛의 감소나 산란 없이 태양에너지를 효율적으로 사용할 수 있다. 또한 많은 에너지가 필요한 촉매의 기계적 혼합(교반) 공정이 필요 없으며, 간단하게 제작할 수 있다는 것도 장점이다.
한편, 연구진은 태양광을 통한 수소 생산 성능도 검증했다.
1㎡ 면적에서 시간당 약 4ℓ의 수소를 생산(환산치)할 수 있었는데, 이는 세계 최고 수준의 성능이다. 또한 다양한 미생물과 부유물이 섞여 있는 바닷물 환경에서 2주 이상 장시간 구동했을 때도 성능 저하는 거의 없이, 높은 생산 성능을 유지했다.

수소 생산 효율성을 높여 탄소중립 실현에 기여

이번 연구는 광촉매 기술 상용화에 큰 걸림돌이었던 수소 생산의 효율성과 경제성을 대폭 개선하고, 다양한 화합물 생성에도 적용할 수 있도록 활용성과 확장성을 강화한 것에 큰 의의가 있다. 바다, 호수, 강은 물론 페트병 폐기물을 녹인 용액에서도 수소를 생산할 수 있는 가능성을 제시하고, 세계 최고 수준의 수소 생산 성능을 갖춘 물에 뜨는 광촉매 플랫폼을 새롭게 개발한 것이다.
현택환 교수는 “활용이 한정적인 육지가 아닌 바다에서의 그린 수소 생산 가능성을 확인하고, 세계 최고 수준의 생산 성능을 확보했다”라며 “수소뿐 아니라 다양한 유기화합물과 과산화수소(H₂O₂) 생성에도 적용할 수 있어 탄소중립 실현에 기여할 것”이라고 말했다. 김대형 교수는 “자연의 물뿐만 아니라 페트병 등 생활폐기물을 녹인 용액에서도 수소를 생산할 수 있다”라며 “우리 연구진이 제시한 플랫폼이 폐기물 처리를 위한 대안이 될 수 있다”라고 이번 연구의 의미를 덧붙였다.

* 이 연구는 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 현택환 단장과 김대형 부연구단장 공동연구팀의 연구로 현택환 화학생물공학부 석좌교수, 김대형 화학생물공학부 교수와 함께 공동 제1저자로 이왕희 IBS 나노입자 연구단 연구원, 이찬우 IBS 나노입자 연구단 연구원, 차기두 의과대학 연구교수가 참여했습니다. 연구 결과는 4월 28일 세계적 학술지 <네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 40.523)> 온라인판에 실렸습니다.