저렴한 산화철 소재 한계 극복… 태양광만으로 역대 최고 수준 수소 변환 효율(8.7%) 달성

산업 현장에서 발생하는 독성 폐기물을 정화하는 동시에 차세대 청정에너지원인 수소까지 생산할 수 있는 일석이조의 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 아주대학교 조인선 교수 연구팀이 독성 화학물질인 하이드라진을 분해하면서 태양광을 이용한 수소 생산 효율을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 광전기화학 시스템을 개발했다고 22일 밝혔다.

하이드라진은 로켓 연료 등으로 사용되는 맹독성 발암 물질로, 이를 안전하게 처리하는 것이 산업계의 큰 숙제였다. 연구팀은 이 골칫덩이 폐기물을 역이용해 수소 생산의 핵심 원료로 활용하는 발상의 전환을 시도했다.

기존에 태양광으로 물을 분해해 수소를 만드는 기술(광전기화학)은 친환경적이지만 생산 효율이 낮다는 단점이 있었다. 전극 소재의 성능 한계와 물이 산소로 바뀌는 반응 속도가 너무 느렸기 때문이다.

연구팀은 문제 해결을 위해 두 단계의 혁신을 이뤘다. 먼저 저렴하고 흔하지만 성능이 떨어졌던 산화철(헤마타이트) 소재를 특수 공정으로 가공해 고성능 전극으로 재탄생시켰다. 얇게 여러 번 쌓아 올린 뒤 고온의 불꽃으로 순식간에 구워내는 방식으로 전하 이동 속도가 빠르고 내구성이 뛰어난 독특한 구조를 만들어냈다.

여기에 물 대신 독성 폐기물인 하이드라진을 투입했다. 하이드라진은 물보다 훨씬 쉽게 산화되는 특성이 있어, 수소 생산을 가로막던 반응 장벽을 효과적으로 낮췄다. 그 결과 독성 물질은 무해한 질소로 분해되고, 동시에 수소 생산량은 비약적으로 증가했다.

연구팀이 개발한 전극을 상용 태양전지와 결합해 실험한 결과, 외부 전원 없이 오직 태양광만으로 작동하는 시스템에서 8.7%의 수소 변환 효율을 달성했다. 이는 산화철 기반 시스템으로는 역대 최고 수준의 기록이다.

조인선 아주대 교수는 "처치 곤란했던 독성 폐기물을 유용한 에너지 자원으로 탈바꿈시킨 사례"라며 "환경 정화와 청정에너지 생산이라는 두 가지 난제를 하나의 시스템으로 동시에 해결할 수 있는 새로운 길을 열었다는 데 의미가 있다"고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행된 해당 연구 성과는 재료 분야 국제 학술지인 나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)에 지난 8일 게재됐다.