光水: 광촉매로 '그린 수소'

光水: 광촉매로 '그린 수소'

대학생신재생에너지기자단 22기 홍세은

 

[알록달록 수소]

수소는 모든 물질 가운데 가장 가벼운 기체 원소이자 간단한 구조를 가져 원자번호가 가장 작은 원소이다. 그중에서도 청정 수소는 제조 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않거나 현저히 적게 배출하는 수소 에너지를 뜻한다. 특히 수소 에너지의 원료가 되는 물은 지구상에 풍부하게 존재하며, 수소를 연소해도 산소와 결합하여 극소량의 질소와 물로 변하기 때문에 환경오염 문제가 거의 없다는 장점이 있다.

이처럼 수소는 무색‧무취의 기체로 알려졌지만 요즘 수소 앞에 색깔을 붙여 부르는 일이 많아졌다. 이는 수소 에너지를 생산하는 전 과정에 걸쳐 발생하는 탄소 배출량에 따라 수소의 색깔을 정해 분류하는 새로운 방식이다. 다양한 색깔의 수소가 있지만 주요한 세 가지 수소를 살펴보고자 한다.

[자료 1. 수소의 종류 ]

출처 : 한국환경공단

• 그레이 수소: 천연가스를 고온‧고압의 수증기와 반응시키는 ‘개질수소’와 석유화학 공정에서 발생하는 부생수소

• 블루 수소: 그레이 수소 생산 과정에서 나오는 이산화탄소를 포집하고 저장하여 온실가스 배출량을 줄인 수소

• 그린 수소: 재생에너지원에서 얻은 전기로 물을 전기분해하여 만들어지므로 온실가스 배출량이 거의 없는 수소

 

[그린 수소 생산의 어려움]

수소에너지 상용화를 위해서는 친환경적이면서도 높은 효율로 수소를 생산할 수 있는 공정과 시설 개발이 필수적이다. 지금까지는 주로 고온‧고압에서 천연가스와 수증기를 반응시켜 수소를 만드는 ‘천연가스 수증기 개질’ 방식을 활용해 왔는데, 많은 에너지가 필요하고 온실기체인 이산화탄소가 다량 배출되는 문제가 있었다.

 

[자료 2. 기존 광촉매 수소 생산 공정의 문제점]

출처: 지디넷코리아

이에 비해 광촉매 기반 수소 생산은 무한한 에너지원인 태양에너지를 직접 사용하고 온실기체 배출이 없다는 점에서 주목받아 왔다. 하지만 실제 산업 환경에 적용하는 데에는 한계가 있다. 가루 형태의 광촉매를 분산시키기 위해 기계적으로 교반하는 과정에서 에너지 비용이 증가하고, 생성된 수소의 느린 확산과 용액의 수면 상승으로 인해 하부의 촉매에 전달되는 빛의 세기가 감소하는 문제가 있기 때문이다.

이러한 문제점을 보완하여 가루 형태의 광촉매를 필름 형태로 증착시켜 패널을 제작하려는 시도가 있었으나 이를 물에서 작동시키기 위한 별도의 용기 그리고 물 밖으로 수소를 내보낼 장치 등이 추가로 필요해 경제성이 크게 떨어졌다.

 

[부유식 광촉매 플랫폼]

[자료 3. 그린 수소 광촉매 플랫폼]

출처: nature nanotechnology

물 위에 뜨는 젤 형태의 새로운 광촉매 플랫폼은 이중 층 구조로, 상층인 광촉매 층과 하층인 지지층으로 구성된다. 광촉매 층은 에어로겔 나노복합체 형태로 제작했다. 에어로겔 나노복합체는 내부가 기체로 채워져 있는 다공성의 고체 물질로, 표면장력과 함수율이 높다는 특징이 있다. 따라서 다양한 광촉매를 쉽게 적용하고 효과적으로 빛을 전달받을 수 있으며 물을 광촉매로 잘 전달할 수 있다. 지지층은 엘라스토머-하이드로젤 복합체 형태로 제작해 물에 잘 뜨면서도 물을 잘 빨아들이는 성질을 이용해 광촉매 층으로 물이 잘 전달되도록 했다.

이렇게 만들어진 광촉매 플랫폼은 수면에 떠 있는 형태이므로 수소가 다시 물로 바뀌는 역반응을 최소화해 생성물 손실이 적다. 생성된 수소는 곧바로 공기 중으로 확산하여 수소를 물 밖으로 빼내는 별도의 장치를 설치하지 않아도 된다. 광촉매가 물에 잠기지 않으므로 수면에 따른 빛의 감소에 영향을 받지 않고, 기계적 교반이 필요하지 않아 간단하게 제작할 수 있다.

 

[빛으로 만드는 그린 수소]

[자료 4. 에너지 밴드와 밴드갭]

출처: 네이버 블로그

원자 하나에 있는 전자의 에너지는 불연속적인 값으로 나타난다. 이때 여러 개의 같은 원자들이 촘촘하게 배열되면 에너지가 원자 수만큼 분리된다. 이렇게 나누어진 에너지가 촘촘하게 모여 있어 마치 띠처럼 영역을 형성하게 되는데 이를 에너지 밴드라고 하고, 원자가띠(valence band)와 전도띠(conduction band)로 나뉜다. 원자가띠는 전자가 안정하게 존재하는 밴드이고 전도띠는 원자가띠의 전자가 에너지를 얻어 올라올 수 있는 밴드이다. 에너지 밴드 사이의 전자가 존재할 수 없는 간격을 밴드갭이라고 한다. 모든 물질은 저마다의 밴드갭을 갖는다.

[자료 5. 광촉매를 이용한 수소  생산의 원리]

출처: nature nanotechnology

수소 생산의 첫 단계는 빛 에너지가 전달되는 것에서 시작한다. 태양광이 광촉매에 전달되면 광촉매 메커니즘을 통해 수소가 생산되는데, 이때 광촉매 커니즘은 다음과 같이 설명할 수 있다.

빛 에너지를 받은 광촉매의 전자가 원자가띠에서 전도띠로 올라가 들뜬 상태가 된다. 그런데 전자는 안정한 상태가 되려는 성질이 있어서 낮은 에너지로 이동하려고 한다. 이때 전자가 안정한 상태에 있는 물로 이동하여 물이 이 전자를 받고 환원되어 수소 기체가 생성된다. 원자가띠에서는 전자가 떠나 빈 공간이 생긴다. 이 또한 불안정한 상태이므로 이곳은 반대로 전자를 받아들이고 싶어 한다. 따라서 플라스틱으로부터 전자를 받고, 플라스틱은 전자를 잃고 산화되어 유기물로 분해되는 것이다.

 

[수소 생산의 미래]

광촉매 플랫폼을 이용하면 1㎡ 면적의 하이드로젤 촉매로 시간당 약 4L의 수소를 생산할 수 있다. 또한, 미생물 및 부유물이 섞여 있는 열악한 바닷물 환경에서 2주 이상 장시간 구동했을 때도 성능 저하가 거의 없었다. 실험 결과 바다, 호수, 강은 물론 페트병 등 생활폐기물을 녹인 용액에서도 수소를 생산할 수 있어, 수소 생산과 더불어 폐기물 처리를 위한 대안이 될 수 있으며 다양한 유기화합물과 과산화수소 생성에도 적용할 수 있어 탄소중립 실현에 기여할 것으로 보인다.

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수소 생산에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "수소에너지의 완벽한 친환경화, 가능할까?", 19기 유홍주, 20기 정지영, https://renewableenergyfollowers.org/3289

수소에너지의 완벽한 친환경화, 가능할까?

2. "맥주의 변신, 수소 생산을 위하여!", 21기 김수현, 김채윤, 이태환, 22기 박주은, https://renewableenergyfollowers.org/3800

맥주의 변신, 수소 생산을 위하여!

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참고문헌

[알록달록 수소]

1) 한국에너지기술연구원, "차세대 청정에너지! 수소에도 색깔이 있다?", https://blog.naver.com/energium/223215463817

[그린 수소 생산의 어려움]

1) 서울대학교, "화학생물공학부 현택환 석좌교수, 김대형 교수 공동연구팀 바다·호수·강에서 물 위 둥둥 뜨는 촉매로 그린수소 대량 생산 한다", https://www.snu.ac.kr/research/highlights?md=v&bbsidx=141174#

[부유식 광촉매 플랫폼]

1) 이왕희, 기초과학연구원, "친환경 그린수소를 생산하는 새로운 '광촉매 플랫폼'", https://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000901/selectBoardArticle.do?nttId=23258

2) Chunxue Li, "A floatable photocatalytic nanocomposite to facilitate scale-up of solar hydrogen production", nature nanotechnology, 

[수소 생산의 미래]

1) 조승한, "바다·호수에 띄워 수소 만든다…IBS, 광촉매 플랫폼 개발", 연합뉴스, 2023.04.28, https://www.yna.co.kr/view/AKR20230427167600017