바다·호수·강에서 물 위 둥둥 뜨는 촉매로 그린수소 대량 생산 한다
- 물에 뜨는 새로운 촉매 광촉매 플랫폼 제시…1㎡에서 시간당 4L 그린수소 4L 생산 -
- 생활페트병 폐기물서로도 수소 발생…Nature Nanotechnology誌 게재 -
바다, 호수, 강은 물론 페트병 폐기물을 녹인 용액에서도 수소를 생산할 수 있게 된다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노입자 연구단의 김대형 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수)과 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수) 공동연구팀은 세계 최고 수준의 그린수소 생산 성능을 갖춘 물에 뜨는 광(光)촉매 플랫폼을 새롭게 개발했다.
수소에너지의 상용화를 위해서는 친환경적이면서도 높은 효율로 수소를 생산할 수 있는 공정과 시설 개발이 필수다. 기존 수소 생산 방식인 천연가스 수증기 개질은 많은 에너지가 필요하고, 온실기체인 이산화탄소(CO2)가 다량 배출된다는 단점이 있다.
이에 비해 광촉매 기반 수소 생산은 무한한 에너지원인 태양에너지를 직접 사용하고, 온실기체 배출이 없다는 점에서 주목받고 있다. 광촉매는 태양광 에너지를 흡수해 물(H2O)에서 수소(H2)를 만든다.
광촉매 성능 향상을 위한 많은 연구가 이뤄졌지만, 아직 상용화에 이르진 못했다. 실제 환경에서 작동하려면 가루 형태의 광촉매를 필름이나 패널 형태로 제작하고, 이를 물속에서 작동시키기 위한 별도의 용기 그리고 물 밖으로 수소를 내보낼 장치 등이 추가로 필요해 수소 생산 경제성이 크게 떨어지기 때문이다.
IBS 연구팀은 물 위에 뜨는 젤 형태의 새로운 광촉매 플랫폼을 고안했다. 새로운 플랫폼은 이중층 구조로 상층인 광촉매층과 하층인 지지층으로 구성된다. 우선, 연구진은 광촉매를 크라이오에어로겔 형태로 제작하여 촉매 자체의 밀도를 낮췄다. 크라이오에어로겔은 내부가 기체로 채워져 있는 고체 물질로, 밀도가 낮다는 특징이 있다. 성능이 우수한 백금(Pt)계 촉매, 값싼 구리(Cu) 기반 촉매 등 모든 광촉매를 크라이오에어로겔 형태로 만들 수 있다. 여기에 두 층을 구멍이 송송 뚫린 다공성 구조로 만들어 표면장력을 높여 물에 더욱 잘 뜨도록 했다.
이렇게 만들어진 ‘하이드로젤 플랫폼’은 물 표면에서 작동하기 때문에 수소가 다시 물로 바뀌는 역반응을 최소화해 생성물 손실이 적다. 또한, 촉매가 물에 잠기는 경우 수심에 따라 유입되는 빛의 양이 적어지지만, 수면에 떠 있어 빛 산란 없이 태양에너지를 효율적으로 사용한다. 간단하게 대면적으로 제작할 수 있다는 것도 장점이다.
연구진은 태양광을 통한 수소 생산 성능도 검증했다. 1㎡ 면적의 하이드로젤 촉매로 시간당 약 4L의 수소를 생산(환산치)할 수 있었다. 이는 세계 최고 수준의 성능이다. 또한, 다양한 미생물·부유물이 섞여 있는 열악한 바닷물 환경에서 2주 이상 장시간 구동했을 때도 성능 저하가 거의 없었다.
연구를 이끈 김대형 부연구단장은 “자연의 물뿐만 아니라 페트병 등 생활폐기물을 녹인 용액에서도 수소를 생산할 수 있다”며 “우리 연구진이 제시한 플랫폼이 폐기물 처리를 위한 대안이 될 수 있다는 의미”라고 말했다.
현택환 단장은 “활용이 한정적인 육지가 아닌 바다에서의 그린수소 생산 가능성을 확인하고, 세계 최고 수준의 생산 성능을 확보했다”며 “수소뿐 아니라 다양한 유기화합물과 과산화수소(H2O2) 생성에도 적용할 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.
[연구 추가 설명]
| 논문명(저널) |
Floatable photocatalytic hydrogel nanocomposites for large-scale solar hydrogen production 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 |
[연구배경] 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 미리리터(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 생산시설로의 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. |
[용어설명]
- ○수소는 생산 방식에 따라 브라운‧그레이‧블루‧그린수소로 나뉘는데, 그린수소는 신재생 에너지를 이용하여 생산한 수소로 생성 과정에서 온실기체가 크게 발생하지 않는 특징을 갖는다. 궁극적인 수소 사회의 실현을 위해서는 그린수소의 상용화가 선행되어야 한다.
- ○현재 널리 이용되는 수소 생산 방식으로 고온고압 조건에서 메테인(CH4)을 수증기(H20)와 반응시켜 수소를 생산한다. 이 과정에서 온실기체인 일산화탄소(CO)가 다량 발생하며, 고온 조건 유지를 위한 에너지 사용량이 높다는 단점이 있다. 이 생산 방식으로 발생한 수소를 그레이수소(Gray hydrogen)라고 한다.
[그림설명]
![[그림1] 연구진이 개발한 부유식 광촉매 플랫폼의 구조](https://www.snu.ac.kr/webdata/boardimages/kohighlight/img_20230428_001.jpg)
[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.
* 출처 : 기초과학연구원(IBS)