태양광·물 있으면 청정에너지 '수소' 생산

한국표준과학연구원, 그린 수소 생산 핵심기술 개발

 

 

 

 

태양광과 물을 이용한 그린 수소 생산과정 모식도. 한국표준과학연구원(KRISS) 제공

한국표준과학연구원(KRISS)은 태양광으로 물을 전기 분해해 ‘그린 수소’를 생산하는 친환경 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

 

그린 수소는 신재생 에너지 등을 이용해 탄소 배출 없이 생산한 수소다. 태양광을 흡수할 수 있는 전극을 물에 담근 후 전기로 물을 분해해 수소를 얻어내는 방식이 대표적이다. 이 방식은 태양광과 물에 의해 전극이 쉽게 부식된다는 단점이 있다. 이를 방지하기 위해 보호막을 씌우면 전기 전도율이 떨어져 수소 생산 효율이 줄어든다. 그동안 그린 수소 도입이 어려웠던 이유다.

 

기존 태양광 전극의 보호막은 이산화티타늄 같은 산화물 소재를 주로 사용한다. 산화물 자체는 전기가 잘 통하지 않는 소재지만 보호막 제조 공정에서 전하가 이동할 수 있는 통로 역할을 하는 산소 결함이 형성되면 물 분해가 가능해진다. 광전극의 수명을 늘리기 위해서는 전극의 부식을 막을 만큼 내구성이 좋고 전기 전도율이 높은 보호막을 개발해야 한다.
 

표준연 연구진은 전기 전도율이 높은 보호막을 통해 수소 생산 효율성을 극대화할 수 있도록 이산화티타늄(TiO2) 보호막의 산소 결함 양을 제어하는 기술을 개발했다. 산소 결함의 양에 따라 전하가 이동하는 원리를 광전자분광법과 전기화학적 분석법으로 규명해 광전극의 수명 연장과 수소 생산에 최적화된 결함 양을 제시했다.

 

분석 결과 보호막 없는 광전극은 1시간 이내에 수명이 급격히 줄어들어 수소 생산 효율이 초기 대비 20% 미만으로 감소했다. 반면 수소 생산에 최적화된 보호막을 씌운 광전극은 100시간 후에도 85% 이상의 성능을 유지했다.

 

표준연은 이번 연구 성과를 활용하면 태양광 전극의 효율과 수명을 극대화하는 데 도움이 될 것이라고 설명했다. 그린 수소 생산 외에도 태양광 전극을 사용하는 다른 청정 기술에도 응용할 수 있다고 말했다. 표준연은 후속 연구를 통해 태양광 전극의 수명을 최대화하기 위한 최적의 산소 결함 양과 그 원리를 밝힐 예정이다.

 

김안순 표준연 소재융합측정연구소 책임연구원은 "연구 성과를 적용하면 기존 방식 대비 태양광 전극의 수명을 10배 향상시킬 수 있다"며 "그린 수소 실용화를 앞당길 핵심 기술"이라고 말했다. 이번 연구 내용을 담은 논문은 국제학술지 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이'지난달 2월 28일 표지 논문으로 게재됐다.