연구재단, 독성 폐기물 정화하면서 수소 생산한다

조인선 교수팀, 하이드라진 선택적 산화 'PEC 시스템' 개발

병목 반응 해결해 수소 생산 효율 높여… 국제 학술지 게재

[대전=뉴시스] 하이드라진 산화반응(HzOR)과 수소 발생반응(HER)이 결합된 PV-PEC 시스템 적용 개념도.(사진=연구재단 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 독성 산업 폐기물을 정화하면서 청정에너지인 수소를 얻을 수 있는 혁신기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 아주대학교 조인선 교수팀이 독성 폐기물인 하이드라진을 선택적으로 산화(정화)시키면서 동시에 태양광 기반 수소 생산 효율을 크게 높일 수 있는 '광전기화학(PEC) 시스템'을 개발했다고 20일 밝혔다.

하이드라진은 무색의 휘발성 액체로 암모니아와 비슷한 자극적인 냄새가 나는 강력한 환원제이자 독성 화학물질이다.

태양광을 이용해 물로부터 직접 수소를 생산하는 PEC 기술은 탄소 배출이 없는 친환경 에너지 기술로 주목받고 있지만 느린 산소 발생과 빛을 흡수해 정공을 생성하는 광산화극 소재의 물성 한계로 효율이 낮다.
 
연구팀은 기존 광산화극 소재의 한계를 극복키 위해 소재를 한번에 두껍게 쌓는 대신 얇게 여러 번 겹쳐 쌓는 다회용액성장과 고온화염어닐링(flame annealing)을 결합한 새로운 MGFA 공정을 개발해 결정 방향이 정렬된 계층적 다공 구조를 갖는 독특한 헤마타이트 광산화극을 구현했다.

MGFA 공정은 여러 번 나눠 구조를 쌓고 불꽃으로 구워 성능을 극대화하는 방식이다. 이 방식으로 개발된 광산화극은 기존 헤마타이트에 기반한 광산화극의 구조적 한계를 극복, 안정적인 물 산화반응을 100시간 이상 유지할 수 있다.

또 연구팀은 느린 산화반응을 해결키 위해 하이드라진 폐기물을 산화반응의 연료로 활용하는 전략을 도입, 수소 생산효율을 제한하던 반응 장벽을 효과적으로 회피해 기존 대비 비약적으로 상승한 광전류 값을 확보하는 데 성공했다.
 
개발된 광산화극을 상용 태양전지와 결합한 결과, 외부 전원없이 순수한 태양광만으로 작동하는 시스템에서 산화철 기반 역대 최고 수준인 8.7%의 수소 변환효율을 달성해 저비용 소재로 환경정화 및 고효율 수소 생산이 동시에 가능하다는 것을 입증했다.

한국연구재단이 추진하는 중견연구 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 '나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)' 온라인판에 지난 8일 게재됐다.

조인선 교수는 "이번 연구는 독성 폐기물을 에너지원으로 전환하면서 동시에 수소를 생산할 수 있음을 보여준 사례"라며 "환경정화와 청정에너지 생산을 하나의 시스템에서 동시에 달성할 수 있는 새로운 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다"고 말했다.


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