[월간수소경제 성재경 기자] 물과 햇빛만으로 청정연료인 수소를 생산하는 광(光)촉매 연구가 한창이다. 

광촉매는 빛을 받아 높은 에너지를 가진 광전자(photoelectron, 음전하)와 전공(hole, 양전하)을 발생시켜 물을 분해해 수소와 산소를 만드는 반도체 물질을 이른다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과의 이재성 교수팀은 태양광과 물로 수소를 만들 수 있는 광촉매의 성능을 개선한 연구 결과를 발표했다. 

‘태양광 수소생산 시스템’의 전극을 구성하는 광촉매는 태양광 에너지를 흡수해 물(H2O)에서 수소(H2)를 만든다. 

이번에 개발된 촉매는 수소생산에 필요한 에너지 소모는 낮추고 동시에 생산량은 늘리는 이중 기능이 있어 수소생산 효율이 높다. 이는 태양광 수소생산 시스템의 상용화 연구에 중요한 이정표가 될 전망이다.  

이재성 교수팀은 산화철을 ‘코어-쉘’(core-shell) 이중구조로 만드는 방법으로 에너지 소모는 줄이면서 동시에 수소 생산량을 늘리는 법을 찾아냈다. 

에너지 소모를 나타내는 반응 개시 전압은 일반 산화철 전극에 비해 270mV(밀리볼트) 만큼 떨어지고, 수소 생산량을 나타내는 지표인 전류밀도는 기존 산화철 촉매보다 66.8% 증가했다. 앞서 개발된 대부분 촉매가 둘 중 하나에서만 성과를 보여온 한계를 극복한 것이다.  

촉매 물질로 사용된 산화철(Fe2O3)은 녹슨 철에서 볼 수 있는 붉은 물질이다. 가격도 저렴하고 구하기도 쉽다. 또 흡수할 수 있는 태양광의 파장 대역도 넓다. 

하지만 내부의 전하(전자) 전달 문제 때문에 실제 이 촉매를 썼을 때 수소생산 효율이 높지 않았다.  

연구팀은 산화철을 이중구조로 만들어 물질 내부 전하 전달 문제를 개선한 고효율 촉매를 개발했다. 탄탈럼(Ta)이 도핑(첨가)된 산화철 중심부(Core)를 도핑되지 않은 산화철 껍질(Shell)이 감싼 구조로, 꼬깔 모양의 나노 막대를 떠올리면 된다. 

이 막대 입자들을 도자기 만들듯 구워(소결) 광촉매로 이뤄진 전극을 만들었다. 소결 반응에서 흑연과 같은 마이크로웨이브 흡수체를 써 단시간 동안 높은 온도에서 소결이 가능하다. 

이재성 교수는 “추가 연구를 통해 상용화의 분기점인 수소생산 효율 10%를 달성하는 것이 목표”라며 “이번에 개발된 촉매로 이 목표에 한 발짝 더 다가서게 됐다”고 말했다.  

한편, 이재성 교수는 태양광 수소생산을 20여 년간 연구해온 이 분야 석학이다. 이 교수 연구팀은 과학기술정보통신부의 기후변화대응 사업의 지원을 받아 앞으로 5년 내에 이 기술을 ‘태양광 수소차 충전소’에 적용하기 위한 실증 연구를 수행 중이다.