광전기화학셀(Photoelectrochemical Cell)을 이용한 물분해(Water Splitting) 그리고 수소에너지

 

광전기화학셀(Photoelectrochemical Cell)을 이용한

물분해(Water Splitting) 그리고 수소에너지

 

대학생 태양에너지 기자단 3기 최일용

 

우리는 현재 심각한 에너지 문제와 환경 문제를 경험하고 있다. 산업혁명 이후부터 우리의 주요 에너지원이었던 화석연료는 문명의 급속한 발전과 함께 단기간에 밀도 있게 사용되었고, 약 100년 뒤에는 인류에게 수급조차 어려울 것으로 예상된다. 또한, 화석연료 연소 시에 발생되는 황산가스(SOx), 질산가스(NOx), 분진 등은 대기오염을 발생시키고, 이산화탄소(CO₂)는 여러 가지 온실가스들과 함께 지구온난화를 더욱 더 가속화시키고 있다.

이러한 에너지 문제와 환경 문제를 해결하기 위한 많은 연구들이 세계 곳곳에서 활발하게 진행되고 있다. 그 중에서 신재생에너지 개발에 대한 연구가 단연 압도적인데, 신재생에너지는 부족한 화석연료를 대체할 수 있는 지속재생가능한 에너지원으로서, 청정한 에너지 공급시스템으로 에너지 문제와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 전망되고 있다. 태양에너지, 풍력에너지, 지열에너지, 해양에너지, 바이오매스에너지, 수소에너지와 같은 신재생에너지원들이 효과적으로 생산되고 소비될 수 있는 시스템을 개발하기 위해서 정부와 기업들이 신재생에너지 시스템 연구에 많은 돈을 아끼지 않고 있다.

신재생에너지 중에서도 특히, 수소에너지(H₂)는 풍부한 자원인 물(H₂O)로부터 생산될 수 있어 지속가능하며, 연료로 사용 후에는 다시 물이 되므로 재생이 가능하다. 또한, 연소 시에 온실가스인 이산화탄소뿐만 아니라 황산가스(SOx), 질산가스(NOx), 분진 등과 같은 대기오염의 원인이 되는 물질들을 배출하지 않기 때문에 친환경적이다. 에너지밀도가 높아 같은 양의 다른 에너지원보다 훨씬 더 많은 에너지량을 얻을 수 있으며, 고압가스 또는 액체수소 형태로 이동시키기 쉽고, 수소저장합금 등을 이용하여 저장하기도 용이하다. 그래서 현재는 산업 전반에 걸쳐서 기초소재부터 수소자동차, 연료전지, 로켓연료 등에 이르기까지 여러 분야에서 이용되고 있으며 신재생에너지원으로서 사회적으로 큰 관심을 받고 있다.

하지만, 위와 같이 신재생에너지원으로서의 장점과 함께 엄청난 관심을 받고 있는 수소에너지가 현재 화석연료의 개질(reforming)을 통해서 생산된다는 점은 정말 아이러니하다. 2013년 현재, 수소 생산의 96%가 화석연료를 사용하여 이루어지고 있으며, 사용되는 화석원료의 비율은 천연가스 50%, 석유 30%, 석탄 20%이다. 특히, 천연가스(메탄가스)는 수소 함유량이 높고 대량 생산이 유리해 수소 생산에 많이 이용되고 있는 실정이다.

CH₄ + O₂ -> 2H₂ + CO₂ (천연가스의 개질을 통한 수소 생산)

천연가스의 개질을 통해 수소에너지를 생산하는 것은 현재 우리가 에너지를 소비하고 있는 방식과 별다를 것이 없다고 할 수 있다. 따라서 에너지 문제와 환경 문제 해결에 전혀 도움이 되지 않음으로, 수소에너지를 더 이상 지속재생가능하고 청정한 에너지라고 말하기 어렵다는 문제가 제기된다.

그렇다면 엄청난 장점을 가지고 있는 이 수소에너지를 화석연료의 개질을 통한 방법이 아닌, 지속가능하고 청정한 방법으로 생산할 방법은 없는 것일까? 물론 있다. 우리에게 가장 친근한 자원인 물을 이용하는 것은 수소에너지 생산을 위한 가장 바람직한 방법이 될 수 있다.

물의 전기분해는 아주 간단하고 신뢰성이 높으며 수소에너지의 대량 생산이 가능하다는 장점이 있지만, 물의 전기분해 시 사용되는 전기에너지의 비용이 높아 고가의 수소에너지를 생산할 수 밖에 없다.

그리하여, 저렴한 비용으로 물을 효과적으로 분해하기 위해 태양광에너지를 이용한 광전기효과를 사용하는 수소생산방법이 고안되었다. 광전기화학셀(Photoelectrochemical Cell)을 이용한 물분해(Water Splitting) 방법은 1972년 도쿄대의 Fujishima교수와 Honda교수가 TiO₂로 광자(photon)를 이용한 물의 분해반응에 대하여 보고한 이래 수십여 년 동안 연구가 진행되어 왔다. 광전기화학적으로 수소를 생산하는 기술은 흔히 말하는 태양전지(Solar Cell) 시스템의 목적과 유사하지만, 광자에 의해 발생한 전자정공쌍(Electron-Hole Pair; EHP)이 전기 생산을 유도하는 것이 아니라 물의 산화환원반응을 통하여 수소기체와 산소기체의 발생을 유도한다는 것에 차이가 있다.

2H₂O + h⁺ -> 4H⁺ + O₂ (양극에서의 반응)

4H⁺ + 4e^- -> 2H₂ (음극에서의 반응)

2H₂O -> 2H₂ + O₂ (광전기화학적 물분해를 통한 수소 생산)

광전기화학셀(PEC Cell)은 기본적으로 반도체(양극)와 금속(음극), 전해질 이 3가지로 이루어져 있다. 반도체로 구성된 광전극에 띠간격 에너지(Band Gap) 이상의 에너지를 가지는 광자(태양광에너지)가 입사되면, 광전기효과에 의해서 반도체내에는 전자정공쌍(EHP)이 형성되며, 이 전자정공쌍(EHP)들은 반도체-전해질계면의 띠굽음 현상(Band Bending)에 의해서 분리된다. 분리된 정공(h⁺)은 반도체-전해질 계면에서 물(H₂O)을 산화시켜 양성자이온(H⁺)을 생성하고 산소기체(O₂)를 발생시킨다. 분리된 전자(e^-)는 외부회로를 따라 음극으로 이동하여, 전해질을 통해 이동한 양성자이온(H⁺)을 음극-전해질 계면에서 환원시켜 수소기체(H₂)를 발생시킨다.

위와 같이 광전기화학셀(PEC Cell)을 이용한 물분해를 통해서 우리는 무한한 태양광에너지와 지구의 풍부한 자원인 물을 이용하여 지속재생가능하고 청정한 시스템으로 수소에너지를 생산해낼 수 있다. 또한, 광전기화학셀(PEC Cell)을 이용한 물분해는 수소에너지와 더불어 산소를 생산하므로, 우리는 이 산소를 유기물분해와 정화작용에 이용할 수가 있으며, 오존으로 합성하여 적합한 곳에 응용도 가능하다.

하지만, 아직 광전기화학셀(PEC Cell)을 이용한 물분해의 효율은 그다지 높지 않다. 현재, 대부분의 연구는 TiO₂와 같은 띠간격 에너지(band gap)가 큰 물질들을 사용하고 있기 때문이다. 띠간격 에너지(band gap)가 크면 태양광에너지의 4%를 차지하는 자외선밖에 사용할 수가 없다. 태양광에너지의 45%를 차지하는 가시광영역을 이용하기 위해서는 더 작은 띠간격 에너지(band gap)를 가지는 물질들에 대한 연구가 필수적이다.

열역학적인 관점에서 바라보는 광전기화학셀(PEC Cell)을 이용한 물분해(Water Splitting)의 원리, 그리고 현재 물분해의 한계점과 그 한계점을 극복하기 위한 다양한 연구결과들은 다음 달 기사를 통해 소개하도록 하겠다.