BS 나노입자연구단 연구팀, 물에 뜨는 형태 새로운 광촉매 플랫폼 개발
1㎡에서 시간당 4L 수소 생산 가능…세계 최고수준 그린수소 생산 성능 확보

 

그림. 연구진이 개발한 부유식 광촉매 플랫폼의 구조. 개발된 나노복합체는 광촉매층과 지지층으로 구성된다. 광촉매층은 공기 중에 노출되어 있어 효과적으로 빛을 전달받을 수 있다. 구멍이 숭숭 뚫려 있는 다공성의 고무-하이드로젤 복합체를 사용해 높은 표면장력을 달성하여 물에 떠 있을 수 있고, 촉매를 복합체 내에 안정적으로 고정할 수 있으며, 하이드로젤의 물질 전달 특성 덕분에 지속적으로 물을 광촉매로 전달할 수 있다. IBS 제공

바다나 호수, 강 어떤 물 위에든 띄우면 태양광을 받아 수소를 생산하는 새로운 광촉매 플랫폼 기술이 개발됐다.

과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 김대형 부연구단장과 현택환 단장 공동연구팀이 세계 최고 수준 그린수소 생산 성능을 갖춘 ‘물에 뜨는 광촉매 플랫폼’을 개발했다고 28일 밝혔다.

그린수소는 신재생에너지만 이용해 친환경적으로 생산하는 수소다.

수소에너지 상용화를 위해서는 친환경과 효율 높은 수소 생산 공정이 필수 조건으로 꼽힌다. 지금까지는 주로 고온·고압에서 천연가스와 수증기를 반응시켜 수소를 만드는 '천연가스 수증기 개질' 방식을 활용해 왔는데, 에너지가 많이 필요하고 이산화탄소가 다량 배출되는 문제가 있었다.

(왼쪽부터) 현택환 IBS 나노입자 연구단장(공동 교신저자), 김대형 IBS 나노입자 연구단 부연구단장(공동 교신저자), 이왕희 IBS 나노입자 연구단 연구원(공동 제1저자), 이찬우 IBS 나노입자 연구단 연구원(공동 제1저자), 차기두 서울대 의과대학 연구교수(공동 제1저자). IBS 제공

이에 비해 광촉매 기반 수소 생산법은 태양광 에너지를 흡수해 물에서 수소를 만드는 그린수소 방식이라 주목받아 왔다. 하지만 실제 환경에서 활용하려면 가루 형태 광촉매를 물속에 풀거나 넓은 판 형태로 제작해야 하고, 물속에서 만들어진 수소를 물 밖으로 빼내는 별도 장치도 필요하다는 단점이 있었다.

연구팀은 물에 뜨는 젤을 광촉매에 결합해 물 표면에서 수소를 생산해 태양광도 최대한 활용하고, 수소도 바로 포집할 수 있는 플랫폼을 개발했다.

이 플랫폼은 이중 층 구조로 상층은 광촉매층, 하층은 부력을 제공해 물에 뜨게 하면서 물을 흡수하고 전달하는 지지층으로 이뤄졌다.

광촉매층은 가벼우면서도 물을 잘 흡수하는 에어로젤 나노 복합체 형태로 제작해 어떤 광촉매든 활용할 수 있게 했다.

지지층은 고무-하이드로젤 복합체를 이용해 물에 잘 뜨면서도 물을 빨아들이는 성질을 활용해 광촉매까지 물이 잘 전달되도록 했다. 이런 형태는 물 표면에서 작동하면서 수소가 다시 물로 바뀌는 역반응을 최소화하는 장점이 있고, 광촉매가 물속에 잠기지 않아 빛의 감소나 산란 없이 태양에너지를 효율적으로 사용한다고 연구팀은 설명했다.

이렇게 개발한 플랫폼은 1㎡ 면적에서 시간당 약 4L(리터) 수소를 생산해냈다.

이는 실험실 건물 옥상에서 실제 실험한 결과로, 세계 최고 수준 성능으로 평가된다고 연구팀은 설명했다.

또 다양한 부유물이 섞여 있는 바닷물 위에 플랫폼을 두고 2주 이상 구동해도 성능 저하가 거의 일어나지 않았다고 연구팀은 덧붙였다.

김 부연구단장은 "활용이 제한적인 육지를 벗어나 넓은 바다에서의 친환경 수소에너지 생산 가능성도 확인한 것"이라고 말했다.

이외에도 생활폐기물을 녹인 용액에서도 수소 생산이 가능한 것으로 나타났다.

연구팀은 이번 연구가 광촉매 수소 생산 상용화에 걸림돌이었던 생산 공정과 시스템의 효율성과 경제성을 모두 잡은 의미가 있다고 설명했다. 또 플랫폼 형태인 만큼 다양한 화합물 생성에도 적용할 수 있다고 연구팀은 덧붙였다.

현 단장은 "촉매는 재료 연구를 아무리 해도 경제성이 떨어져 산업화가 안 되는 경우가 있는데 다른 측면으로 접근할 필요가 있다는 게 이번 연구의 핵심"이라며 "화학 공정을 좀 더 효율적으로 일어날 수 있도록 하는 플랫폼 기술에도 주목할 필요가 있다"고 말했다.

연구 결과는 28일 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지'에 실렸다

송현수 기자 songh@busan.com