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수소경제의 열쇠 : 그린수소제조

전문가 제언: ○ 미래의 연료전지자동차가 기존의 가솔린 자동차와 기술 경제적으로 대등하게 달리려면, 연료인 수소의 생산, 저장과 연료전지의 막과 전극 및 관련재료 등의 기술개발이 이루어 져야한다. 이 중에서 수소의 생산은 기존의 화석연료의 개질 등 많은 기술이 있으나, 명실상부한 자연친화적 수소생산을 지향한다면, 태양에너지를 이용한 수전해나 물분해로 얻는 것이 가장 이상적인 성취일 것이다.

○ 태양에너지를 이용하는, 광촉매의 전자 에너지 구조는 가전자대와 전도대로 구성되어 있고, 띠간격(band gap) 이상에 해당하는 빛에너지를 받을 때 가전자대에서 전도대로 전자여기(electron excitation)를 일으키며, 이때 가전자대에는 정공이 전도대에는 전자가 생성된다. 결국 전자-정공(쌍)의 산화-환원력을 이용하여 환경적인 오염물 처리 및 물분해 수소제조 등이 가능한데, 기질의 산화환원전위가 반응여부를 결정한다.

○ 즉 수소생산의 경우에는 광촉매의 전도대 가장자리전위가 H2O/H2환원전위보다 음(negative)이어야 가능하다. 이론적으로 ZrO2, SrO2등 많은 광촉매들이 이를 만족하지만, 광부식에 따른 안정성, 광활성, 경제성 등을 고려할 때 TiO2가 현재까지는 효율적으로 평가된다.

○ 물분해 반응에서 이들 광촉매들의 에너지전환효율이 낮은데, 그것은 광여기로 생성된 전자-정공쌍이 빠르게 재결합한다든가, 물분해시 생성되는 수소와 산소가 다시 물로 되는 역반응이 쉽게 일어나는 등의 문제점이 있다. 이런 문제점들을 극복하고 태양에너지를 이용한 물분해-수소생산의 상용화를 위해, 많은 연구들이 진행되고 있는데, 크게 화학첨가제 사용(전자주게 혹은 정공 소비제, 카보네이트염), 및 광촉매개질(금속이온도핑, 음이온도핑, 연료감응, 복합광촉매)의 두 가지 연구 분야로 나뉘어 있다.

○ 미국의 DOE가 수소와 연료전지의 개발을 주도적으로 수행하고 있다. 일본도 국가적 지원으로 이 분야의 연구를 수행 중인데, 이글에서 논하는 광촉매는 이상적인 최후의 방책으로 보고 있다. 따라서 이의 채택은 2020년 이후로 장기적 연구로 계획되어 있다.

저자: Yoshinori Naruta
자료유형: 학술정보