UNIST, 새기술 개발…외부전력 필요 없고 생산속도는 美상용화 기준의 4배

연구 그림 태양광만을 이용한 고효율 이중 수소 생산 시스템 모식도. [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

(울산=연합뉴스) 김용태 기자 = 사탕수수 찌꺼기와 햇빛으로 수소를 생산하는 기술이 나왔다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장지욱·서관용 교수팀과 신소재공학과 조승호 교수팀은 사탕수수 찌꺼기에서 나온 바이오매스와 실리콘 광전극으로 수소를 생산할 수 있는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

이 기술은 외부 전력 없이 햇빛으로만 수소를 생산한다. 생산 속도는 미국 에너지부가 제시한 상용화 기준의 약 4배를 기록했다.

연구진에 따르면 수소는 연소 시 온실가스를 배출하지 않으며, 무게 당 저장할 수 있는 에너지가 휘발유의 2.7배에 달하는 차세대 연료다.

그러나 현재 생산되는 수소 대부분은 천연가스에서 추출되며, 이 과정에서 이산화탄소가 다량 발생한다.

연구진은 사탕수수 찌꺼기에서 나온 '푸르푸랄'(Furfural)을 이용해 이산화탄소 배출 없는 수소 생산 광전기화학시스템을 고안했다.

이 시스템은 양극과 음극 양쪽에서 수소가 동시에 생산되는 방식이다.

푸르푸랄이 구리 전극에서 산화되면서 수소가 나오고, 남은 물질은 고부가가치 물질인 푸로산(furoic acid)으로 바뀐다.

또 반대쪽 전극인 실리콘 광전극에서는 물이 분해돼 수소가 생산된다.

이 덕분에 일반적인 광전기화학시스템보다 이론적으로 생산 속도가 2배 올라갈 수 있는데, 이는 미국 에너지부가 제시한 상용화 기준의 4배에 가까운 수치다.

실리콘 광전극은 많은 전자를 만들 수 있어 수소 생산에 유리하지만, 생성되는 전압은 낮아 외부 전원 없이는 단독으로 수소 생산 반응을 일으키기 어려웠다.

연구진은 푸르푸랄이 산화되는 반응을 통해 시스템 전압 균형을 맞춰 이 문제를 해결할 수 있었다고 설명했다.

실리콘 광전극 소재의 장점인 높은 광전류 밀도는 유지하면서, 전체 시스템의 전압 부담은 줄여 외부 전력 없이도 수소가 생산되도록 한 것이다.

연구진은 후면전극형(IBC) 구조를 활용해 광전극 내부에서 발생하는 전압 손실을 줄이고, 광전극을 니켈 포일과 유리층으로 감싸 전해질로부터 보호해 장기적인 안정성도 확보했다.

연구진 모습 뒷줄 오른쪽부터 반시계 방향으로 UNIST 장지욱 교수, 서관용 교수, 이명현 연구원, 진원주 박사, 장원식 박사. [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

장지욱 교수는 "이번 기술은 태양광 수소의 경제성을 높이고, 화석 연료 기반 수소와 비교해 가격 경쟁력을 확보하는 데 중요한 역할을 할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications)에 지난달 19일 게재됐다. 연구는 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원의 글로벌 에너지인력양성사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

yongtae@yna.co.kr

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