▲ ‘나노숲’ 구조체(금속산화물)와 물이 만나는 과정에서 열화학적으로 수소가 생성되는 모습을 그린 삽화(게제 예정 저널 표지 front cover).

국내 연구진이 나노 입자의 표면적을 극대화한 나노구조체로 기존 1000℃에서 이루어지던 열화학적 수소생성 과정을 저온(200℃)에서 가능케 하는 시스템을 개발했다.

광주과학기술원(GIST)는 28일 윤명한 GIST 신소재공학부 교수팀과 주상현 경기대 교수팀, 곽상규 UNIST 교수님이 나노 입자의 표면적을 극대화 시킨 ‘나노숲’ 구조체를 이용해 저 온도(약 200℃)에서 촉매 재생을 통한 열화학적 수소생성에 성공했다고 밝혔다.

열화학적 수소 생성기술은 금속산화물과 물의 반응을 이용해 수소를 생산하는 차세대 신재생 에너지 기술. 광전기 화학전지, 생물학적 물 분해 등 기존 친환경 수소 생성법과 비교해 효율이 높고 대용량 생산이 가능해 유럽?미국 등에서 활발하게 연구되고 있다.

현재 열화학 수소 생성은 크게 금속산화물과 물이 만나는 산화 과정(수소 발생)과 산화된 금속산화물에서 산소를 떼어내(Oxygen vacancy) 다시 수소 생성이 가능한 상태로 만드는 환원 과정으로 구성된다.

하지만 금속산화물의 환원 시 반응 온도가 1000℃ 이상으로 높아 금속산화물의 반응 표면적이 감소하고 이 때문에 지속적인 수소 생성이 어려워지는 현상을 해결해야 하는 상황이다.

연구팀은 금속산화물 나노 구조체(일명 ‘나노숲’)와 극자외선을 이용해 나노 소재의 안정성을 유지하면서 낮은 온도(200℃)에서도 열화학적 수소 생성이 가능한 시스템을 개발했다.

연구팀은 산화주석 나노선 지지체 위에 용액공정 기반 산화철 나노 입자를 균일하게 형성한 ‘나노숲’ 구조를 만들어 반응 표면적을 극대화하면서도, 나노 입자가 덩어리로 변하는 소결 현상을 최소화했다. 이러한 ‘나노숲’ 효과로 인해 수소 생성 반응이 평면 나노 구조보다 1.5배 이상 빠르게 진행됨을 확인했다.

또한 연구팀은 금속산화물에서 산소를 떼어내는 환원 과정에서 필요했던 1000℃ 이상의 고온 열처리 대신 ‘극자외선’을 1시간 동안 쬐어주는 ‘빛+열’ 처리를 진행해, 약 200℃ 온도의 공정에서도 금속산화물 나노 구조체 표면의 산소원자결함이 가능함을 제시했다.

윤명한 교수는 “이번 연구 성과는 나노 소재 기술과 광 활성화를 접목한 새로운 금속 산화물 환원법을 개발한 것”이라며 “나노 소재를 이용하는 신재생 에너지 생성 연구 분야에 다양하게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, GIST 윤명한 교수와 경기대 주상현 교수(공동 교신저자)가 주도하고 GIST 이세영 박사과정생, 한국화학연구원 자히드 하니프 박사(박사후 연구원)가 수행한 이번 연구는, 미래창조과학부와 한국연구재단의 원자력연구기반확충사업(전략기초), GIST GRI(GIST Research Institute) 사업의 지원을 받아 수행됐다.

관련 논문은 재료 분야 권위지인 저널 오브 머티리얼 케미스트리 A(Journal of Material Chemistry A) 온라인판에 9월14일 게재됐으며, 학술지 인쇄본 게재 시 표지 논문(Front Cover)으로 출판될 예정이다.