<사진. 연구팀이 제안한 물 분해 프로세스에 대한 개념도 
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

재생에너지에 대한 해답을 제공해 주는 나무

나무를 모방한 에너지 전환 프로세스를 통해, 위스콘신대학(University of Wisconsin-Madison) 재료과학자들은 수소 생산을 위한 재생에너지 기술에 큰 진보를 이루었다. 위스콘신대학의 재료공학과 조교수인 Xudong Wang은, 최근 미국 임산물연구소(Forest Products Laboratory)의 Zhiyong Cai 박사와 함께 태양에너지를 수소 연료로 전환하는 과정인 물 분해(water splitting)를 위해 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber)를 사용하는 연구를 진행하였다.

Wang 교수의 목표는 호수 혹은 해양에서 물을 흡수하는 스펀지 나무(sponge tree)의 역할처럼 셀룰로오스를 이용하는 것이다. 상부에서는 광촉매를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 방식이다.

비록 과학자들이 수 년 동안 물을 분해하는 기술을 연구해왔지만, 이런 기술들은 모두 물 속에 담긴 광촉매(photocatalyst)를 이용하는 것으로 빛이 촉매까지 도달하는데 제약이 있었다.

과학자들은 제조된 광촉매를 물 속에 담그고 물에 빛을 비추어 수소와 산소를 생산하려고 노력했다. 그러나 물을 통과하여 촉매에 도달하는 빛의 침투력이 제약될 수밖에 없는 환경이다. 햇빛은 굴절되고 반사되기 때문에 촉매의 양을 단순히 증가시킨다고 해결될 사항이 아니다. 이 때문에 기존 기술의 효율성에 한계가 발생하였다.

연구팀은 물의 분해가 물 속이 아닌 공기 중에서 발생할 수 있도록 설계하였다. 설계된 나무의 상부에서 매우 넓은 표면적을 제공하는 셀룰로오스 템플릿 상에 형성된 메조포러스 이산화티타늄(mesoporous titanium dioxide) 광촉매를 위치시켰다. 물 속에 나무를 위치시키면, 나무의 셀룰로오스 뿌리가 물을 흡수하면 이 물이 광촉매 잎에서 반응하여 수소와 산소로 분해된다.

보통 촉매는 가루 형태로 만들어진다. 최근 과학자들은 나노와이어를 촉매로 사용하기 시작하였다. 연구팀은 촉매 코팅을 위해 셀룰로오스 나노섬유를 이용한 템플릿을 처음으로 이용하였으며, 뛰어난 친수성 성질을 활용하였다.

이 기술은 물 분해를 매우 향상시켰다. 특히 기존의 물 속에 장착하는 것에 비해 효율을 두 배나 증가시켰다. 만약 나무와 같은 패널을 제작한다면 패널은 잎과 같은 역할을 하고 대기 중에 위치하면서 태양에너지 흡수능력을 향상시킬 것이다. 이로써 태양에너지 전환을 극대화하고 물 표면에 대한 제약을 극복할 수 있다.

이런 패널은 호수가 바다에 위치시키고 태양에너지를 이용해 물로부터 수소를 생산할 수 있을 것이다. 이것이 수소연료를 생산할 수 있는 공장을 건설하는 개념이다. 이 공장은 육지 혹은 물이 있는 곳에 세워질 수 있다.

연구팀은 물을 청정 에너지원인 수소로 전화하는데 대한 증가하는 관심을 보여주고 있다. 수소경제 모델은, 수소를 사용해 차량 및 건축물에 이르기까지 에너지를 전달할 수 있다는 개념에서 재탄생하고 있다.

본 연구의 자금지원은 미국 에너지부가 맡았다. Wang 교수 연구팀은 대규모 프로토타입을 구축할 계획이다. 현재 임산물연구소는 본 연구에 대한 특허등록을 진행 중이다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr