풍력 및 태양에너지 저장을 위한 물 분해 반응의 촉매특성을 향상시키는 새로운 방법

스위스 EPFL의 과학자들은 풍력 및 태양광 에너지를 저장하는데 사용하기 위해 물 분해 촉매반응을 향상시키는 방법을 개발하였다. 이 방법은 화학적으로 촉매의 맨 바깥에 있는 표면을 벗겨내고 반응의 활성화 표면을 최대로 하는 것이다. 재생에너지 분야에서 가장 어려움 중의 하나가 저장이다. 일반적인 접근 방법은 물을 산소와 수소로 분리하는 반응을 이용하여 수소를 에너지를 저장하기 위한 연료로 사용하는 것이다. “물을 분해하는” 효율은 주로 촉매라고 불리는 고체 물질에 의존한다. 그러나 촉매의 표면만이 활동에 작용하기 때문에 촉매 전체 부분은 비활성이다. 이는 많은 촉매가 사용되어야 하며 에너지 시스템에서 물 분해의 효율도 제한하게 된다. 네이처 커뮤니케이션에 발표된 논문에서 EPFL의 과학자들은 화학적으로 껍질을 제거하는 것에 의해 반응에서 촉매의 활성도를 최대화시키는 방법을 개발하였다. 이들의 연구에 의하면 물 분해 효율을 2.6~4.5배 증가시켜 보다 저렴하고 보다 효율적인 재생에너지 저장 기술에 새로운 영역을 보여주었다.

태양빛과 바람이 항상 일정하지 않기 때문에 이들을 에너지로 사용하기 위해서는 이후에 사용하기 위해 수소의 형태로 에너지를 저장할 수 있는 장비가 필요하다. 이들 장비들은 태양이나 바람이 물을 산소분자와 수소분자로 쪼개는 에너지로 사용되어 “광전기화학 물 분해”라고 불리는 반응에 기반을 두고 있다. 그러나 현재 태양 및 풍력 에너지를 100% 회수하는 것은 불가능하기 때문에 물 분해 반응을 보다 많은 지속가능하게 저장할 수 있게 하는 기술개발을 하고 있다. 물 분해의 효율은 반응의 속도와 효율성을 크게 향상시키는 “촉매”라고 불리는 고체물질, 일반적으로 산화금속에 의존한다. 문제는 현재 물 분해 촉매들이 단지 표면만이 반응에 참여하는 것에 의해 재생에너지 가격을 크게 향상시킨다는 점이다.

EPFL의 Fang Song and Xile Hu는 촉매의 껍질을 벗겨내는 방법으로 촉매의 반응면적을 증가시킬 수 있는 “박리화(exfoliation)”를 개발하였는데 이는 그래파이트에서 그래핀을 얻는 방법과 원칙적으로 유사하다. 스카치테이프를 사용하여 그래파이트의 가장 바깥 층을 하나씩 벗겨 내어 그래핀을 제조한다. 산화금속의 박리화는 이미 전기화학적인 응용분야, 즉 배터리, 화학 감지기 및 슈퍼커패시터의 전극 등에 사용되고 있지만 이를 물 분해 반응에 사용하는 것은 처음이다. EPFL 과학자들이 개발한 박리화 방법은 유기 용매를 사용한다. 기존의 금속 산화물 촉매들은 유기 용매 내에서 배양되어 가장 바깥 표면으로부터 3개 원자 두께의 표면이 박리된다. 단일 층 표면은 본래 구조를 가지고 있지만 실험실에서 시험할 때 증가된 촉매 특성을 보여준다.

연구원들은 물 분해에서 가장 첨단 촉매들 중의 하나로 인식되고 있는 비싼 산화 이리듐을 포함하는 7개의 일반적인 금속 산화물 촉매들을 시험하였다. 다른 촉매들은 철, 코발트 및 니켈에 기반을 둔 보다 저렴한 금속산화물들이다. 데이터에 의하면 박리된 금속 산화물은 전체 촉매에 비해 반응비를 2.6~4.5배 향상시켰으며 이는 박리 방법이 재생에너지 시스템에 적용되면 에너지 저장 용량을 크게 향상시킬 수 있다는 것을 의미한다. 몇 개의 박리된, 보다 저렴한 촉매들은 산화 이리듐 촉매보다 우수한 효율성을 나타내었다. 반응 비율이 향상된 것은 주로 물 분자들과 크기가 잘 맞고 반응을 진행하기 좋은 부위들이 많이 촉매에 생성된 것을 의미한다고 연구원들은 말한다. 이 새로운 방법은 산소를 발생하는 반응 촉매를 개발하는데 있어 “탑-다운(top-down)” 접근법을 사용한 것으로 연구개발에 큰 영향을 주었다. 상대적으로 간단한 박리 방법과 저가이면서 풍부한 재료들로 만들어진 촉매의 향상된 특성은 보다 저렴하고 보다 효율적인 재생에너지 저장에 대한 새로운 길을 제시하고 있다.

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