“그린수소 시장 선점할 고효율 실리콘 광촉매 개발”

국내 연구진이 금속화합물을 기반으로 하는 기존 광촉매보다 그린수소를 효율적으로 생성할 수 있는 친환경 소재 실리콘 광촉매를 개발했다. 그린수소(green hydrogen)는 생산 과정에서 탄소배출이 전무한 수소를 말한다.

1일 한국연구재단에 의하면 심우영 연세대학교 신소재공학과 교수 연구팀이 독특한 표면 구조를 가지는 층상구조 실리콘을 이용, 태양광 기반 고효율 수소 발생 광촉매를 개발했다.

기존 광촉매는 이산화티타늄과 황화카드뮴과 같은 금속화합물 소재를 흔히 개질(改質)이라고도 부르는, 탄화수소의 질을 개선하기 위해 구조를 변화시키는 과정을 거쳐 효율을 높이는 데 초점을 맞춰 제작돼 왔다. 그러나 실제로 태양광을 활용하는 것은 매우 제한적이고 독성이 있어 친환경적이지 않다는 단점이 있다.

최근 이 한계를 극복하기 위해 태양광 활용에 유리하고 생산 과정에서도 유해한 화학물질을 배출하지 않아 친환경적 광촉매로 주목받고 있는 실리콘 소재에 대한 연구가 진행되고 있다.

현재까지의 실리콘 광촉매는 매우 낮은 수소 발생 효율을 가지고 있어 이를 해결하고자 나노 구조화를 통한 표면적 증가 연구에 초점을 맞췄지만, 뚜렷한 성과를 보이지 않고 있었다. 때문에 이를 해결할 수 있는 새로운 방식이 필요한 상황이었다.

이에 심 교수 연구팀은 실리콘의 층상 구조화를 통해 태양광 흡수는 물론, 수소 발생에서도 높은 효율을 가지는 광촉매를 개발하고 작동 원리를 규명했다.

연구팀은 먼저 실리콘 화합물에서 특정 원소 제거를 통해 층상형 구조의 실리콘 화합물을 얻었다. 이후 물질의 계면 제어로 독특한 표면을 가지는 층상구조 실리콘을 개발했다.

이어 실험 및 시뮬레이션을 통해 일반적인 표면보다 독특한 이러한 표면 구조가 높은 수소 발생 효율을 가지는 것을 증명했으며, 측정된 수소 발생 효율도 실리콘 소재 중 가장 높은 것으로 확인했다.

또 기존 금속화합물이 태양광 에너지의 약 4%인 자외선만을 흡수할 수 있는 것과 다르게 자외선·가시광선을 모두 흡수할 수 있어 태양광 에너지의 약 44%를 활용할 수 있는 흡수 능력을 보였다.

한국연구재단은 “이번 연구는 낮은 효율로 인해 사용이 제한됐던 비금속 소재를 독특한 표면 구조를 가지는 광촉매로 만들어 기존 광촉매 시장에 없던 소재를 응용해 분야를 개척했다는 데 의의가 있다”고 설명했다.

심우영 교수는 “이번 연구성과가 실용화되면 강력한 대체 에너지원으로 주목받고 있는 그린수소 시장의 점유율 확보가 가능할 것으로 예상된다”고 말했다.

한편 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학 분야 국제학술지인 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 지난달 6일 게재됐다.