▲ 정렬·계층 다공 구조로, Ti-도핑 헤마타이트 광전극과 하이드라진 산화 기반 PV-PEC 수소 생산 개념도

국내 연구진이 독성 산업 폐기물을 정화함과 동시에 청정에너지인 수소를 얻을 수 있는 혁신적인 기술을 개발하는데 성공했다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 아주대 조인선 교수 연구팀이 독성 산업 폐기물인 하이드라진을 선택적으로 산화(정화)시키면서 동시에 태양광 기반 수소 생산 효율을 크게 높일 수 있는 광전기화학(이하 PEC) 시스템을 개발했다고 20일 밝혔다.

태양광을 이용해 물로부터 직접 수소를 생산하는 PEC 기술은 탄소 배출이 없는 친환경 에너지 기술로 주목받아 왔으나, 느린 산소 발생 반응과 광산화극 소재의 물성 한계로 인해 효율 향상이 매우 제한적이었다.

이 중 헤마타이트(α-Fe2O3, 산화철)는 가격이 저렴하고 화학적으로 안정적이며 대면적 적용이 가능해 유망한 소재로 평가되어 왔으나, 전하 이동 및 분리 특성이 매우 낮아 광전류와 수소 생산 효율이 낮다는 근본적인 한계가 있어 실용화에 어려움이 많았다. 

이에 연구팀은 기존 광산화극 소재의 한계를 극복하기 위해 다회 용액 성장과 고온 화염 어닐링을 결합한 MGFA 공정을 개발해 결정 방향이 정렬된 계층적 다공 구조를 갖는 독특한 헤마타이트 광산화극을 구현했다.

해당 광산화극은 안정적인 물 산화 반응을 100시간 이상 유지하는 등 기존 헤마타이트 기반 광산화극의 구조적 한계를 효과적으로 개선했다. 또한, 연구팀은 느린 산화 반응을 해결하기 위해 하이드라진 폐기물을 산화 반응의 연료로 활용하는 전략을 도입, 수소 생산 효율을 제한하던 반응 장벽을 효과적으로 우회하며 기존 대비 비약적으로 상승한 광전류 값을 확보하는 데 성공했다.
 

나아가 이 광산화극을 상용 태양전지와 결합한 결과, 외부 전원 없이 오직 태양광만으로 작동하는 시스템에서 산화철 기반 역대 최고 수준인 8.7%의 수소 변환 효율을 달성했다. 저비용 소재로도 환경 정화와 고효율 수소 생산이 동시에 가능하다는 것을 입증한 것이다.

조인선 교수는 “이번 연구는 독성 폐기물을 무해한 질소로 전환하면서 동시에 수소를 생산할 수 있음을 보여준 사례”라며, “환경 정화와 청정에너지 생산을 하나의 시스템에서 동시에 달성할 수 있는 새로운 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 밝혔다.

한편 이번 연구의 성과는 나노·마이크로 구조 재료 분야 저명 국제학술지인 나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)에 1월8일 온라인 게재됐다.