바다에서 생산되는 신 에너지, ‘그린수소’

광촉매를 이용해 효율적으로 수소 생산

[ 객원 에디터 5기 / 한지헌 기자 ] 에너지는 다양한 형태가 있다. 석유, 석탄, 천연가스 같은 전통적 에너지인 화석연료와 재생이 가능한 에너지라고 부르는 ‘재생에너지’가 있고, 전통적 에너지가 아닌 새로운 형태의 에너지라고 부르는 ‘신에너지’가 있다. 재생에너지 종류로는 태양광, 태양열, 풍력, 수력, 해양, 지열, 바이오, 폐기물이 있고, 신에너지의 예시로는 수소에너지, 연료전지, 석탄액화가스화 및 중질산사유 가스화가 있다. 

요즘 과학자들이 주의를 기울이고 있는 에너지원 중 하나는 그린수소이다. 그린수소는 화석 연료 대체물로 간주되는 수소의 생산과정에서 온실가스 배출을 최소화하거나 제로로 유지하는 방법을 가리킨다. 일반적으로 수소는 전기 분해 또는 고온 고압에서 천연가스를 수증기와 반응시켜 수소를 만든다. 하지만 만드는 과정 중 온실가스인 이산화탄소가 많이 발생하고, 에너지 사용량도 높다.

이 문제점을 해결하기 위해, 기초과학연구원은 물 위에 뜨는 젤 형태의 광촉매로 햇빛을 이용해 그린수소를 생산하는 ‘하이드로젤 플랫폼’을 만들었다. 

하이드로젤 플랫폼은 수소를 저장하고 운반하기 위한 장치이며 물 위에 뜨는 젤 형태의 광촉매로 햇빛을 통해 그린수소를 생산하는 장치이다. 더 정확히 연구를 이끈 김대형 부연구단장의 말에 따르면, 친수성 폴리우레탄과 PPG 하이드로제를 섞어 고분자를 먼저 만들고 거기에 광촉매 나노 입자를 섞어서 물에 뜰 수 있는 형태의 디바이스를 만든다고 한다. 

하이드로젤 플랫폼은 이중층을 이루고 있으며, 상층에는 공기에 노출되어 있는 광촉매 층, 하층에는 부력을 제공하면서 물의 흡수, 전달하는 지지층이 배치되어 있는 구조이다. 수소가 다시 물로 바뀌는 것을 최소화하기 위해, 구멍을 뚫어, 높은 표면 장력으로 물에 잘 뜸과 동시에 함수율이 높은 하이드로겔을 사용하여, 물이 광촉매와 쉽게 전달되도록 제작했다.

이러한 구조는 태양 에너지를 효율적으로 사용하며, 연구진은 태양광을 통한 수소 생산 성능도 검증했다. 시간당 면적 1m^2에서 4L의 수소가 생산된다. 이 결과는 세계 최고 수준이며, 2주 이상 성능저하 거의 없이 유지된다는 장점이 있다. 

연구를 이끈 김대형 부연구단장은 “연구실이 아닌 실제 환경에서 세계 최고 수준의 생산 성능을 확보하고, 활용이 제한적인 육지를 벗어나 넓은 바다에서의 친환경 수소에너지 생산 가능성을 확인했다”라고 이번 성과의 의미를 밝혔다. 그리고 수소뿐만 아니라 과산화수소 생성 등 다양한 광촉매 반응에 활용할 수 있어 탄소중립에도 도움이 될 수 있다고 한다.