태양광으로 물 전기분해, 수소 생산하는 기술 개발

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국표준과학연구원(KRISS)은 태양광으로 물을 전기 분해해 수소를 생산할 수 있는 핵심기술을 개발해 '그린 수소' 시대 안착에 속도가 붙게 됐다고 7일 밝혔다.

현재 주로 사용되는 수소는 화석연료를 활용해 생산되는 '그레이 수소'로 생산과정에서 이산화탄소가 발생하므로 진정한 친환경 에너지원이라고 보기 어렵다.

그린 수소는 신재생 에너지 등을 이용해 탄소배출없이 생산되는 수소다. 태양광을 흡수할 수 있는 전극을 물에 담근 후 전기로 물을 분해해 수소를 얻어내는 방식이 대표적이다.

하지만 이 방식은 태양광과 물에 의해 전극이 쉽게 부식되는 단점이 있어 이를 방지키 위해 보호막을 씌우지만 이럴 경우 전기 전도율이 떨어져 수소 생산 효율이 극히 낮아진다.

태양광 전극의 보호막은 이산화티타늄(TiO₂) 등 산화물 소재가 사용된다. 산화물은 전기가 잘 통하지 않는 소재지만 보호막 제조 공정에서 전하가 이동할 수 있는 통로 역할을 하는 산소 결함(defect)이 형성되면 물 분해가 가능해진다.

광전극의 수명을 늘리기 위해서는 전극의 부식을 막을 수 있도록 내구성이 좋으면서 전기 전도율이 높은 보호막 개발이 관건이다.

이번에 KRISS는 수소 생산효율을 극대화할 수 있도록 이산화티타늄(TiO₂) 보호막의 산소 결함 양을 제어하는 기술을 세계 최초로 개발했다.

연구진은 산소 결함의 양에 따라 전하가 이동하는 원리를 광전자분광법과 전기화학적 분석법을 통해 규명하고 광전극의 수명 연장과 수소 생산에 최적화된 결함 양을 제시했다.

기존 연구들이 보호막 제조 공정상 자연스럽게 형성되는 산소 결함에 의존한 것과 달리 이번 연구에서는 산소 결함의 양을 원하는 대로 조절할 수 있는 생산방식을 제시했다. 이 방식은 산업계에서 이미 널리 쓰이고 있는 공정을 활용해 양산이 쉽다.

연구진의 실험 결과, 보호막이 없는 광전극은 1시간 이내에 수명이 급격히 저하돼 수소 생산 효율이 초기 대비 20% 미만으로 감소했지만 수소 생산에 최적화된 보호막을 씌운 광전극은 100시간 후에도 85% 이상의 성능을 유지했다.

이 기술은 태양광 전극의 효율과 수명을 극대화할 수 있고 그린 수소 생산 이외에 태양광 전극을 사용하는 다른 청정 기술에도 응용 가능하다.
 
연구진은 후속 연구를 통해 태양광 전극의 수명을 최대화하기 위한 최적의 산소 결함 양과 원리를 밝힐 예정이다.

연구의 성과는 재료화학 분야 국제학술지인 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이'(Journal of Materials Chemistry A, IF=14.511)에 2월 28일자 표지 논문(back cover)으로 게재됐다.(논문명: Role of defect density in TiOx protective layer of n-Si photoanode for efficient photoelectrochemical water splitting)

KRISS 소재융합측정연구소 김안순 책임연구원은 "이번 성과를 적용하면 기존 방식 대비 태양광 전극의 수명을 약 10배 향상할 수 있다"며 "그린 수소 실용화를 앞당길 핵심기술”이라고 말했다.


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