<사진. 재생 에너지를 저장하는 방식으로 수소를 생산할 수 있다는 것을 보여주는 이미지. 낮 동안에, 태양 패널은 전기분해를 이용해서 수소를 생산하는 방식으로 잉여 전기를 저장한다. 밤 동안에, 수소는 공기 중의 산소와 결합해서 전기를 발생시킨다
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

태양 에너지를 저장할 수 있는 새로운 방법

스탠포드 대학(Stanford University)의 연구진은 전기 분해를 통해서 순수한 수소를 대량으로 제조할 수 있는 새로운 촉매를 디자인했다. 전기 분해는 전기를 이용해서 H2O 속의 산소와 수소의 결합을 부수는 프로세스이다. 오늘날, 순수한 수소(H2)는 천연 가스에서 일반적으로 추출하는 주요 화학물질이다. 수천 만 톤의 수소가 매년 생산된다; 산업용 수소는 석유 정제 및 비료 생산에 중요하다.

이 연구를 이끌었던 Thomas Jaramillo 교수와 그의 연구진은 물에서 수소를 생산하는 것과 같이 전기분해를 사용해서 태양 에너지를 저장하기를 원했다. 그러나 물 분해를 상용화하기 위해서는 더 비용 효율적인 프로세스를 찾아야 했다.

전기분해는 간단하다: 두 개의 금속 전극들을 물속에 넣는다. 전기가 이런 전극을 통해서 지나갈 때, 이런 전극은 수소와 산소 가스의 기포로 물 분자들을 분해하기 위한 촉매로서 활용된다.

백금은 물의 전기 분해를 통해서 수소를 제조할 수 있는 최적의 촉매이다. 그러나 전기분해를 산업용 프로세스로 수행하기 위해서는 더 저렴한 전극이 발견되어야 한다. “우리는 귀금속을 사용하는 일 없이 가능한 한 가장 효율적인 방법으로 H2를 만들려고 노력하고 있다.” 라고 Jaramillo가 말했다.

저널 Angewandte Chemie에 게재된 이 연구결과에서, 이번 연구진은 백금을 대신할 수 있는 저렴하고 내구성이 강하며 효율적인 촉매를 제시했다.

현재, 태양 에너지를 저장하는 방법은 비용 효율적이고 대규모 방법이 존재하지 않는다. 이번 연구진은 전기분해를 이용해서 물탱크가 태양 에너지를 저장하기 위한 배터리로 변화시킬 수 있다고 믿고 있다. 낮 동안에, 태양 전지의 전기는 물을 수소와 산소로 분해하는데 사용될 수 있다. 이런 가스를 재결합하는 것은 밤 동안에 사용할 수 있는 전기를 생성한다.

전기분해는 H2O의 화학결합을 부수기 위해서 전기를 사용한다. 물의 화학 결합을 부숨으로써 수소 이온이 생성된다. “이런 결합이 너무나 약하다면, 이온들은 고착되지 않는다.” 라고 Jaramillo가 말했다. “이것이 너무 강하다면, 그들은 결코 방출되지 않는다.”

백금은 완벽하지만 고가이다. 지난해 스탠포드 대학의 과학자들이 석유화학공정에 폭넓게 사용되는 촉매인 몰리브덴 황화물이 백금을 대체할 수 있는 효율적이지만 저렴한 상대물이라는 것을 일부 증명했다.

이번 연구진은 석유화학 처리 프로세스가 전기분해와 유사하다고 설명했다. 이것은 타르 샌드(tar sand)와 같은 석유 공급원이 무거운 분자를 상당히 포함하고 있기 때문이다. 이와 마찬가지로, 전기 분해는 물 분자들을 부수거나 그들의 화학 결합을 깰 수 있다.

석유 처리 프로세서는 산성비를 줄이기 위해서 연료 중의 황을 제거한다. 이런 세척 공정 동안에 일부 황 원자들은 석유를 처리하는 촉매 속에 결합되고, 이런 촉매의 활성을 증가시킨다.

이것을 이용해서 이번 연구진은 한 가지 아이디어를 제공했다: 그들이 황 원자를 가진 우수한 촉매를 사용한다면, 순수한 수소를 제조하는데 더 우수한 전극이 되지 않을까? 그들은 몰리브덴 인화물이라고 불리는 촉매에 황 원자를 첨가했는데, 이것은 전기분해 시에 수소 제조를 가속화시키는 역할을 했다.

황 원자들을 추가하는 것은 수소를 제조하는데 더 효율적인 새로운 촉매(molybdenum phosphosulfide)가 되게 만들었다. 이 새로운 황이 포함된 촉매는 더 내구성을 가지고 있었는데, 이것은 전극이 분해되는 일 없이 작동해야 하는 산업용 프로세스에 중요하다.

이번 연구진이 개발한 이 새로운 촉매는 이런 분야에 큰 진전을 이루었다. 전극으로서 그들은 백금에 접근하는 효율을 가질 정도로 매우 안정적이다. 현재, 이번 연구진은 새로운 촉매를 향상시키려고 노력하고 있다. 예를 들어, 그들은 반응을 더 효율적으로 촉진하기 위해서 나노크기로 재료를 가공하고 있다. 이 아이디어는 태양 에너지를 저장하는데 물의 전기분해를 사용할 수 있게 할 것이다.

“이것은 서로 다른 기술 분야를 융합함으로써 이루어내었다.” 라고 이번 연구진은 말했다.

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