울산과학기술원(UNIST)이 사탕수수 찌꺼기와 햇빛만으로 그린수소를 생산하는 기술을 개발했다.
UNIST 장지욱·서관용 에너지화학공학과 교수팀과 조승호 신소재공학과 교수팀은 사탕수수 찌꺼기에서 나온 바이오매스와 실리콘 광전극을 이용해 수소를 생산하는 기술을 공동 개발했다고 16일 밝혔다.
수소는 친환경 에너지지만 아직까지 대부분은 천연가스에서 추출하고 이 과정에서 이산화탄소가 발생한다.
연구팀은 사탕수수 찌꺼기에서 나온 푸르푸랄(Furfural)과 태양광 전극을 이용해 이산화탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있는 광전기화학시스템을 개발했다.
이 시스템은 양쪽 전극 모두에서 수소를 생산할 수 있다. 구리전극에서 푸르푸랄이 산화하면서 수소를 생산하고, 반대쪽 실리콘 광전극에서도 물을 분해하면서 수소를 생산해 기존 광전기화학시스템보다 생산 속도를 2배나 높일 수 있다.
외부 전력 없이 햇빛만으로 수소를 생산하고, 생산 속도는 미국 에너지부가 제시한 상용화 기준의 4배에 달한다.
이 시스템의 수소 생산은 광전극이 햇빛을 흡수해 전자를 만드는 것에서 시작한다. 결정질 실리콘 광전극은 많은 전자를 만들 수 있어 수소 생산에 유리하지만, 생성 전압이 낮아 외부 전원 없이 단독으로 수소 생산 반응을 일으키기 어려웠다.
연구팀은 반대쪽에 푸르푸랄 산화 반응을 일으켜 시스템 양쪽의 전압 균형을 맞춰 이 같은 문제를 해결했다. 결정질 실리콘 광전극 소재의 장점인 높은 광전류 밀도는 그대로 유지하면서 전체 시스템의 전압 부담은 줄여 외부 전력 없이도 수소를 생산하도록 만든 것이다. 광전류 밀도는 단위 면적을 통과하는 전자의 흐름량을 나타내는 지표로, 수소 생산 속도와 직결된다.
또 후면전극형(IBC) 구조를 활용해 광전극 내부에서 발생하는 전압 손실을 줄였다. 광전극을 니켈 호일과 유리층으로 감싸 전해질로부터 보호해 장기적 안정성도 확보했다.
장지욱 교수는 “이 기술은 화석연료 기반 생산 수소와 비교해 태양광 수소의 가격 경쟁력을 비롯한 경제성 확보에 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com