사탕수수 찌꺼기와 햇빛으로 수소를 생산하는 기술이 개발됐다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장지욱·서관용 교수팀은 신소재공학과 조승호 교수팀과 함께 사탕수수 찌꺼기에서 나온 바이오매스와 실리콘 광전극으로 수소를 생산할 수 있는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 이 기술은 외부 전력 없이 오직 햇빛만으로 수소를 생산하며, 수소 생산 속도는 미국 에너지부가 제시한 상용화 기준의 4배에 달한다.
수소는 연소 시 온실가스를 배출하지 않으며, 무게당 저장할 수 있는 에너지가 휘발유의 2.7배 달하는 차세대 연료다. 하지만 현재 생산되는 수소 대부분은 천연가스에서 추출되며 이 과정에 이산화탄소가 많이 발생한다.
연구팀은 사탕수수 찌꺼기에서 나온 푸르푸랄(Furfural)을 이용해 이산화탄소 배출 없는 수소 생산 광전기화학시스템을 개발했다. 푸르푸랄이 구리전극에서 산화되면서 수소가 나오고, 남은 물질은 고부가가치 물질인 푸로산(furoic acid)으로 바뀐다.
이 시스템은 양쪽 전극 모두에서 수소가 생산된다. 반대쪽 전극인 실리콘 광전극에서도 물이 분해돼 수소가 생산된다. 이 덕분에 일반적인 광전기화학시스템보다 이론적으로 생산 속도가 2배 올라갈 수 있으며, 실제로도 1.4mmol/㎠·h의 생산 속도를 기록했다. 이는 미국 에너지부(DOE)가 제시한 상용화 기준인 0.36mmol/㎠·h의 4배에 가까운 수치다.
이 시스템에서 수소 생산은 광전극이 햇빛을 흡수해 전자를 만드는 것부터 시작된다. 결정질 실리콘 광전극은 많은 전자를 만들 수 있어 수소 생산에 유리하지만, 생성되는 전압은 낮아 외부 전원 없이는 단독으로 수소 생산 반응을 일으키기 어려웠다.
연구팀은 반대쪽에서 푸르푸랄이 산화되는 반응을 일으켜 시스템의 전압 균형을 맞춤으로써 이 같은 문제를 해결했다. 결정질 실리콘 광전극 소재의 장점인 높은 광전류 밀도는 그대로 유지하면서, 전체 시스템의 전압 부담은 줄여 외부 전력 없이도 수소가 생산되도록 한 것이다. 광전류 밀도는 단위 면적을 통과하는 전자의 흐름량을 나타내는 지표로, 수소 생산 속도와 직결된다.
또 이 시스템은 후면전극형(IBC) 구조를 활용해 광전극 내부에서 발생하는 전압 손실을 줄였으며, 광전극을 니켈 호일과 유리층으로 감싸 전해질로부터 보호함으로써 장기적인 안정성도 확보했다.
실리콘 광전극이 물속에 잠긴 구조는 자체 냉각 효과를 제공해 외부 연동형 구조보다 효율과 안정성 측면에서 유리하다는 점도 이번 연구에서 확인됐다. 외부 연동형 구조는 물을 분해하는 전기를 생산하는 전지와 물 분해돼 수소가 나오는 전해조가 각각 구분된 형태를 말한다.
장지욱 교수는 “이번 기술은 태양광 기반 수소 생산 속도가 미국 에너지부의 상용화 기준보다 4배 높아, 태양광 수소의 경제성을 높이고 화석연료 기반 수소 대배 가격 경쟁력을 확보하는 데 중요한 역할을 할 수 있다”고 밝혔다.
연구는 산업통산자원부, 한국에너지기술평가원의 글로벌 에너지인력양성사업 등의 지원을 통해 이루어졌으며, 세계적 과학 저널인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 3월 19일 자로 게재됐다. UNIST 고묘화, 이명현 , 김태현, 진원주, 장원식 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.
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