[사이언스 온고지신]물로 가는 자동차, 차세대 에너지원 개발 연구 필요

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물로 가는 자동차 기본 원리는 간단하다. 자동차에 물을 넣게 되면 화학 반응이나 전기분해를 통해 수소와 산소로 분리되고 그 수소는 자동차 연료로 사용한다는 것이다. 즉 자동차에는 물에서 수소를 추출하는 에너지 발생기가 장착돼 있다. 수소를 이용해 동력을 생산하는 방식은 수소내연 기관과 연료전지가 대표적이다. 머지않아 고갈 될 수밖에 없는 유한 화석에너지를 대체하고 지구환경을 유지보전하기 위해 새로운 대체에너지원에 대한 사회적 요구가 증대되면서 물 분해를 통한 수소 에너지개발은 세계적인 중요 연구주제가 되고 있다.

[사이언스 온고지신]물로 가는 자동차, 차세대 에너지원 개발 연구 필요

물의 분해방법 중에서 물 전기 분해(water hydrolysis)방법은 역시 막대한 에너지가 필요한 문제를 가지고 있다. 직접 물을 분해하는 물 분해(water splitting)방법은 공정에 사용되는 고효율의 촉매 개발이 실현되지 않아 현대 과학자의 기술적 도전으로 남아 있다. 현재까지 상업적인 물 전기 분해와 태양 연료전지에서 사용되는 고가의 귀금속 촉매를 대체할 저가의 고효율 물 산화촉매(WOCs)개발이 국제적 수소연료의 상업화에 가장 큰 장애가 되고 있다.

광 촉매에 의한 물 분해에 중요한 도전으로 첫째 양극에서 O2-방출의 반쪽반응에서 필요한 기본적인 과전압을 낮추는 것과 둘째 전극의 조립을 위해 저가의 친환경적인 고효율의 촉매 개발이다. 광촉매(photocatalyst)에 의한 직접 물 분해로 수소를 생산할 수 있는 광학반응기술은 궁극적 에너지원인 태양광을 이용한다. 지구상에서 가장 풍부한 물의 분해를 통해 수소연료를 생산할 수 있는 가장 이상적인 대안적 청정에너지원이다. 자외선은 태양광의 약 5%만 차지하고 있어 효율적인 태양에너지를 이용하기 위해서는 태양광의 거의 절반을 차지하는 가시광선(400-700nm, 1.7-3.1eV)하에서 물 분해 활성을 보이는 광촉매의 개발이 절실하다.

이 도전을 만족시키기 위해 촉매 효율의 황금표준이 되는 광합성유기물에서 광시스템Ⅱ(PSⅡ)내의 입방 `CaMn4Ox` 핵에 기초한 분자촉매가 출현하고 있다. 최근 수소생산을 위해 귀금속 프리(Noble-Metal-Free)의 균질시스템에 대한 연구가 활발하다. 한 예로 입방체 `Li2Co2O4`는 자연에서 풍부하고, 합성이 쉽다.

높은 열적과 산화환원 사이클에 안정적이며, 근본적으로 높은 촉매 전환수(turn-over frequency:TOF)와 안정적인 전류밀도 등의 이유로 태양 연료전지의 응용에서 전망이 매우 높다. 그러나 귀금속 프리 분자-기반시스템에서 중요한 문제는 역시 수소형성을 위한 비교적 낮은 TOF와 수 시간 내에서 이 시스템의 빠른 광분해가 해결 과제이다.

현재까지 국제적 중요 수소개발 프로그램에 많은 국가가 참여하고 있고 많은 노력에도 물 분해에 의한 수소에너지 개발은 화석연료 기반 에너지 보다 경제적 경쟁우위를 가지려면 시간이 필요하다. 오랜 기간 동안 많은 연구 노력이 필요하고 특히 친환경적 저가의 촉매개발이 무엇보다 중요하다. 물 분해에 의한 수소제조용 가시광선 광촉매개발을 위해 양이온/음이온 치환법, 층간삽입 등 다양한 기술이 연구되고 있으며 현재 나노복합체 산화물 또는 산화물 복합체 개발에 박차를 가하고 있다. 또 TiO2광촉매 성능향상을 위해 금속담지, 금속이온 도핑, 염료감광 복합 반도체, 음이온도핑, 금속이온 이식 등의 방법이 이용되고 있다.

물 분해를 위한 광전기화학시스템에 대한 한국의 연구수준은 현재 초기단계이며 다른 국가에 비해서 물질을 시스템화하는 분야가 매우 취약한 편이다. 그러므로 현재 국가적인 정책지원 아래 기업체와 학계의 연구가 활성화돼 있어 광촉매, 박막화, 나노소재 등의 국제적 기술적 교류를 통해 앞으로 많은 새로운 아이디어가 제안되고 이 연구가 집중될 것으로 보인다.

약 3-5%대에 머물고 있는 광-변환 효율을 크게 향상(10%이상)시킬 수만 있다면 신재생에너지기술은 인류가 당면한 화석에너지원의 고갈과 환경적인 문제를 동시에 해결할 수 있는 방법이된다. 물 분해에 의한 수소에너지의 개발연구는 향후 노벨상 대상이 될 도전적 분야로 인류가 이루고자 하는 꿈의 에너지이기도 하다. 아직까지 물 전기분해는 고가의 전기소모로 경제성의 문제점을 안고 있다. 태양광, 태양열, 풍력 등의 신재생에너지를 통해서 얻어진 저가의 에너지를 사용될 때에야 비로소 상업적 사용을 기대할 수 있을 것이다.

김형원 한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원

hwonkim@reseat.re.kr