수소 구하기 쉬워진다, 바다에서 호수에서 구한다 그린 수소

출처 : 과학기술정보통신부

 바다, 호수, 강 등 어느 곳이든 광촉매가 물위에 떠서 친환경 수소를 대량으로 생산할 수 있게 된다. 자연의 물뿐만 아니라 생활폐기물을 녹인 용액에서도 수소 생산이 가능하다.

  과학기술정보통신부(장관 이종호)는 기초과학연구원(원장 노도영, 이하 'IBS') 나노입자 연구단의 김대형 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수)과 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수) 공동연구팀이 세계 최고 수준의 그린수소* 생산 성능을 갖춘 물에 뜨는 광(光)촉매 플랫폼을 새롭게 개발했다고 밝혔다.

 * 그린수소(Green Hydrogen) : 신재생에너지를 이용하여 친환경적으로 생산하는 수소

  대체자원으로서 수소에너지를 상용화하기 위해서는 친환경적이면서 높은 효율로 수소를 생산할 수 있는 공정 기술과 시설 개발이 필수다. 기존의 대표적 수소 생산 방식인 천연가스 수증기 개질*은 많은 에너지가 필요하고, 온실기체인 이산화탄소(CO2)가 다량 배출된다는 단점이 있다.

 * 천연가스 수증기 개질(Natural Gas Steam reforming) : 고온고압에서 메테인(CH4)과 수증기(H20)를 반응시켜 수소 생산. 현재 널리 이용되나 고에너지 소모, 일･이산화탄소 다량발생

  이에 비해 광촉매 기반 수소 생산은 태양광 에너지를 흡수해 물(H2O)에서 수소(H2)를 만드는 친환경 방식으로, 무한 에너지원인 태양을 직접 사용하고 이산화탄소(CO2) 등 온실기체 배출이 없다는 점에서 주목받고 있다.

  그러나 광촉매의 성능 향상을 위한 많은 연구에도 불구하고 아직 상용화에 이르지는 못했다. 실제 환경에서 활용하려면 가루 형태의 광촉매를 넓은 판(패널) 형태로 제작해야 할 뿐 아니라, 물속에서 작동하면서 수소를 물 밖으로 보내는 별도 장치 개발 등 추가적인 과정과 비용이 필요하여, 수소 생산의 효율성과 경제성이 떨어지기 때문이다.

 

  이에, IBS 연구팀은 물 위에 뜨는 젤 형태의 새로운 광촉매 플랫폼을 고안했다. 이중층 구조의 플랫폼으로 상층에는 공기 중에 노출된 광촉매층을, 하층에는 부력을 제공하면서 물을 흡수･전달하는 지지층을 배치하여, 별도 추가 장치 없이도 실제 환경에서 효율적으로 작동하도록 구성하였다.

  우선, 연구진은 광촉매를 패널 형태가 아닌 기체로 채워진 고체(에어로겔 나노복합체) 형태로 제작하여, 촉매 자체의 밀도를 낮추고 성능이 우수한 백금(Pt)계 촉매, 값싼 구리(Cu) 기반 촉매 등 모든 광촉매를 쉽게 적용할 수 있도록 구성하였다.

  또한, 구멍이 송송 뚫린 다공성 구조의 고무-하이드로겔 복합체를 사용하여 높은 표면 장력으로 물에 잘 뜸과 동시에, 함수율이 높은 하이드로겔* 특성을 활용하여 물이 광촉매에 쉽게 전달되도록 제작하였다.

* 하이드로겔(Hydrogel) : 수용성 고분자의 물리･화학적 결합에 의해 생성되는 젤리 형태의 물질이며 다공성, 높은 함수율, 가공 용이성 등 특징을 보유

 

  이렇게 만들어진 플랫폼은 물 표면에서 작동하기 때문에 수소가 다시 물로 바뀌는 역반응을 최소화하여 생성물의 손실이 적다. 광촉매가 물속에 잠기지 않기 때문에 수심에 따른 빛의 감소나 산란 없이 태양에너지를  효율적으로 사용한다. 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 있었다. 이는 실제 환경에서 이룬 결과이며 세계 최고 수준의 성능이다. 또한, 다양한 부유물이 섞여 있는 열악한 바닷물 환경에서 2주 이상 장시간 구동했을 때도 성능 저하는 거의 없이, 높은 생산 성능이 유지되는 것을 확인했다.

  이번 연구는 광촉매 수소생산 기술 상용화에 큰 걸림돌이었던 생산 공정∙시스템의 효율성과 경제성을 개선하는 한편, 다양한 화합물 생성에도 적용할 수 있도록 활용성과 확장성을 확보한 것에 큰 의의가 있다.

  연구를 이끈 김대형 부연구단장은 “연구실이 아닌 실제 환경에서 세계 최고 수준의 생산 성능을 확보하고, 활용이 제한적인 육지를 벗어나 넓은 바다에서의 친환경 수소에너지 생산 가능성을 확인했다”라고 이번 성과의 의미를 밝혔다.

  현택환 단장은 “친환경적이며 효율성을 높인 이번 플랫폼은 그린수소 생산뿐 아니라 유기화합물 합성과 과산화수소(H2O2) 생성 등 다양한 광촉매 반응에 활용할 수 있어 탄소중립 실현에 기여할 것”이라고 말했다.

 

  연구결과는 4월 28일 0시(한국시간) 세계 최고 학술지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 40.523)’ 온라인판에 실렸다.

 

1. 연구 추가 설명

 

논문명	Floatable photocatalytic hydrogel nanocomposites for large-scale solar hydrogen production
저널명	Nature Nanotechnology
저자정보	이왕희(공동 제1저자, IBS/서울대), 이찬우(공동 제1저자, IBS/서울대), 차기두(공동 제1저자, IBS/서울대), 이병훈(IBS/서울대), 정재환(서울대), 박현서(IBS/서울대), 허준혁(IBS/서울대), 부타라주(IBS/서울대), 선우성혁(IBS/서울대), 김정현(IBS), 김대형(공동교신저자, IBS), 현택환(공동교신저자, IBS)
연구내용 보충설명	[연구 배경]      광촉매 반응을 이용한 수소(H2)의 생산은 기존의 천연가스(메탄) 수증기 개질(methane steam reforming)과 비교하여 무한한 에너지원인 태양에너지를 사용하고 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)의 부산물 생성량이 적다는 점에서 친환경적인 에너지 생산수단으로서 주목받고 있다.     이에 따라 광촉매의 성능 향상에 초점을 맞춰 수많은 연구 들이 진행되어 왔으나, 개발한 촉매를 실제 환경에서 사용하기 위한 플랫폼은 제한적이다. 광촉매의 경우 대부분 파우더 형태이며, 이를 수 밀리리터(mL) 용량의 연구실 환경에 적용하는 것은 큰 문제가 발생하지 않는다. 그러나 수 리터(L) 용량의 실제 산업 환경에 적용할 경우, 촉매를 분산시키기 위해 필수적인 기계적 교반에 드는 에너지 비용의 증가, 반응 용액으로부터 생성된 수소의 공기층으로의 느린 확산 및 반응 용액의 수면 상승으로 인한 하부의 촉매에 전달되는 빛 세기의 감소와 같은 실제 환경에서의 생산성 저하를 유발하는 문제점들이 발생하게 된다. 따라서 성능 좋은 광촉매 개발뿐 아니라 실용적인 광촉매 플랫폼의 개발이 매우 중요하다.   [성과 차별점]      기존에 파우더 형태의 광촉매를 실제 환경에 적용하기 위해 보고된 방법은 파우더를 필름 형태로 증착시키고, 이를 이용하여 광촉매 패널을 만드는 것이다. 하지만 이 패널형 시스템은 제작 비용 및 성능을 고려 시 사업성이 다소 떨어지는 단점이 있다.     따라서 우리는 새로운 부유식 광촉매 플랫폼을 개발하였는데, 높은 표면장력을 가지는 다공성의 엘라스토머-하이드로젤 복합체를 사용해 수면에 쉽게 떠 있을 수 있게 하였다.   상층의 광촉매층에는 백금(Pt), 구리(Cu)가 담지된 이산화티타늄(TiO2) 및 백금이 담지된 카본나이트라이드(C3N4)와 같은 다양한 광촉매를 쉽게 담지할 수 있다. 이 나노복합체는 수면에 안정적으로 떠있을 수 있기 때문에 앞서 말한 기계적 교반이 필요하지 않으며, 나노복합체로부터 생성된 수소가 곧바로 공기층으로 확산될 수 있어 빠른 확산성을 가지며 수심에 따른 빛의 감쇠에도 영향을 받지 않는다.   또한, 1m2 크기의 나노복합체의 합성도 쉽게 가능하며 이때 실제 태양광 하에서 하루 약 80mL의 수소 생산을 확인하여 실제 수소에너지 생산 시설로의 적용 가능성을 확인하였다.   [향후 연구계획]      이번 연구는 엘라스토머-하이드로젤 나노복합체로 이루어진 부유신 광촉매 플랫폼이 수소 생산에 장점이 있을 뿐 아니라, 다양한  광촉매 반응의 플랫폼으로 활용될 수 있다는 가능성을 제시한다는 것에 큰 의미가 있다.   수소 생산 반응 이외에도 다양한 광촉매 반응(유기화합물 합성, 과산화수소수 생산 등)이 존재하기 때문에, 해당 플랫폼을 다양한 광촉매 반응에 적용하는 것을 목표로 하고 있다.

 

 

 

<그림1> 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.

수소차 관련주

EG, SNT모티브, 글로벌에스엠, 기아, 뉴인텍, 대우부품, 대원강업, 동아화성, 동양피스톤, 두산퓨얼셀, 디아이티, 디와이, 디케이락, 라이트론, 모토닉, 범한퓨얼셀, 삼보모터스, 삼화전자, 상아프론테크, 성창오토텍, 세종공업, 시노펙스, 아이에이, 에스에너지, 에스퓨얼셀, 에코바이오, 엔케이, 영화테크, 우리 산업, 우수 AMS, 원익머티리얼, 유니크, 이엠코리아, 인지컨트롤스, 일지테크, 일진다이아, 일진하이솔루스, 제이엔케이히터, 지엠비코리아, 코오롱인더, 코웰패션, 평화산업, 평화홀딩스, 폴라리스세원, 풍국주정, 한온시스템, 한화설루션, 현대모비스, 현대차, 효성중공업

SNT모티브

대원강업

동아화성

디아이티

삼보모터스

원익머트리얼즈

코오롱인더