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물을 원료로 한 수소의 생성-질화물 반도체를 이용한 광전기화학반응-

전문가 제언: ○ 근년 이산화탄소(CO2)에 의한 지구온난화 등의 환경문제를 해결하기 위해 화석연료를 대체할 수 있는 청정한 에너지원으로서 수소가 주목되고 있다. 수소는 저장 및 수송이 가능하고, 연소에 의해 많은 양의 에너지를 방출할 뿐만 아니라 연소 시에 발생되는 물질이 단지 물뿐이기 때문에 환경부하가 전혀 없는 이상적인 에너지원이라 할 수 있다.

○ 그러나 현재 생산되는 수소의 대부분은 화석자원의 개질에 의한 것이므로 CO2 배출 등의 환경문제나 에너지 문제의 본질적인 해결책으로는 될 수 없다. 태양광을 이용한 물의 분해에 의해 수소의 생산이 가능하다면 가장 바람직한 재생 가능한 에너지를 얻는 방법이지만 아직 여러 가지의 해결되어야 할 난점이 있다. 현재 물을 분해시키는 광촉매 재료의 대부분은 태양광에 약 3% 정도 밖에 포함되지 않은 파장 400㎚ 이하의 자외선에 대해서만 기능하기 때문에 태양에너지의 변환효율이 약 0.2% 수준에 불과하다.

○ 본문에서는 광전기화학반응에 의해 물로부터 수소를 생성하는 데 있어서 금속전극의 문제점을 보완하기 위한 반도체 전극의 가능성을 검토했다. 실험결과에 따르면 n형 GaN 반도체와 NaOH 수용액의 전해액을 사용함으로써 간단하게 물로부터의 수소생성이 가능한 것으로 밝혀졌다. 그러나 n형 GaN 표면에 집중되는 강한 산화력을 가진 정공의 영향에 의해 표면이 용해되는 등 열화에 의한 수명저하, 도펀트(dopant)의 첨가 등 해결해야 할 과제가 많이 남아 있으며, 아직 실용화 단계에는 이르지 못하고 있다.

○ 국내에서는 정부의 수소 및 연료전지 프로그램으로서 21세기 프론티어 수소에너지사업, 수소연료전지사업, 원자력수소사업 등이 추진되어 연구기관과 대학 등에서 활발한 기초연구가 수행되고 있다. 태양광을 이용하여 물로부터 수소를 생산하기 위해서는 장파장 영역의 가시광선 흡수가 가능하고, 고효율로 물을 분해할 수 있는 광촉매의 개발이 필수적이다. 광촉매의 성능이 장파장 영역에서 높은 양자 수율이 가능해지면 태양광을 이용하여 광촉매에 의한 물의 분해로 수소의 생산이 가능할 것으로 기대된다.

저자: Katsushi Fujii
자료유형: 학술정보