이재성 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수팀은 반 디 클롤 독일 헬름홀츠연구소 교수팀과 공동으로 광합성 원리를 응용한 태양에너지 수소 전환 소자, 이른바 `인공나뭇잎(광촉매) 소자`를 개발했다.
이 소자는 해조류의 바다 속 광합성 원리를 모방한 것으로, 태양에너지 수소 전환 효율을 8%까지 끌어올린 혁신 소자다. 땅 위 식물처럼 태양빛을 받아 광합성을 하는 해조류는 서식하고 있는 깊이까지 도달하는 태양빛 파장만을 선택 활용한다.
이 교수팀은 해조류처럼 햇빛의 서로 다른 파장을 동시에 이용할 수 있도록 두 개의 광촉매 물질을 병렬로 연결한 `이종쌍전극(Hetero dual photoanode)`을 광촉매에 적용했다. 연구팀은 친환경 비스무스 바나데이트 산화물과 산화철을 나란히 연결한 인공나뭇잎 소자를 제작했다.
이종쌍전극 가운데 비스무스 바나테이트 산화물은 짧은 파장의 빛, 산화철은 긴 파장의 빛을 각각 받아들인다. 이 인공나뭇잎은 태양광의 수소 전환 효율이 8%에 달했다. 기존의 광촉매 효율은 약 5%에 불과했다.
수소는 미래 에너지 문제를 궁극으로 해결할 수 있는 청정에너지다. 그러나 천연가스, 석유, 석탄 같은 화석연료에 열을 가해 추출하기 때문에 이산화탄소 배출 등 환경 문제를 일으켰다.
햇빛과 물을 이용한 광촉매 기술은 수소를 대량 생산할 수 있는 미래 기술이다. 우리나라를 비롯해 세계 각국은 이 기술을 개발하기 위해 국가 주도의 대형 과제를 추진하는 등 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 목표는 태양에너지의 수소 전환 효율을 실용화에 필요한 10%까지 올리는 것이다.
이재성 교수는 “다소 값싸고 안정된 산화물을 이용한다는 점에서 경쟁력이 높다. 또 광촉매 가운데 8% 효율은 세계 최고 수준”이라면서 “인공나뭇잎 기술의 상용화 기준으로 여겨지는 효율 10%를 턱밑까지 달성, 중요한 이정표를 세웠다”고 자평했다.
연구 성과는 최근 발효된 파리협약의 이산화탄소 발생 저감 및 처리에도 큰 도움이 될 전망이다. 인공나뭇잎에서 생산한 수소를 연료로 사용하면 이산화탄소가 발생하지 않는다. 수소연료전지 자동차 분야에는 값싸고 안정된 수소 연료 생산 기술을 적용할 수 있다.
이 교수는 “3년 내에 효율 10%를 달성, 재생에너지형 수소충전소와 수소연료전지 자동차 확산에 기여하겠다”고 밝혔다.
연구 결과는 네이처 커뮤니케이션스 14일자에 게재됐다. 미래창조과학부의 기후변화대응 사업과 중견연구자 사업을 통해 이뤄졌다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
