즉시 수소를 발생시키는 기술 개발돼
별도 에너지 없이 물로만 수소를 만들어
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| ▲ 실리콘 나노입자군 ⓒSUNY |
수소는 궁극적인 미래 에너지로 평가 받는 에너지원이지만 이를 상용화하기에는 현실적으로 어려운 상황이다. 그중에서도 가장 먼저 해결해야 할 문제는 ‘저장’ 문제다. 일상에서 사용하기에 수소는 부피가 너무 크기 때문에 이를 대부분의 가스 연료처럼 액체로 저장하여 사용하는 것이 제일 좋지만, 이를 액화하려면 너무 많은 비용이 든다.
그렇다면 물을 원료로 하여 필요할 때마다 수소를 분리해 사용하면 어떨까? 이 방법도 경제성 면에서 많은 문제점이 있다. 우선 물리적인 면을 보면 전기로 수소와 산소를 분리할 때는 열역학 법칙에 의거하여 반드시 외부에서 에너지가 유입돼야 하기 때문에 지속적으로 비용과 노력이 들어가게 된다.
반면에 화학적으로 수소를 생성하는 기술에는 벌크한 실리콘을 물과 반응시키는 방법이 있지만, 이 과정은 진행속도가 너무 느려서 효율적이지 못하다는 단점과 여기에 산화물까지 형성되는 이중고로 인해 그동안 거의 연구되지 않았었다. 다만, 실리콘이 이론적으로 1몰 당 2몰의 수소를 배출할 수 있기 때문에 높은 에너지 밀도와 이산화탄소 배출이 없다는 점은 장점으로 여겨져 왔다.
많은 어려움이 따르는 수소의 에너지 상용화
이처럼 수소의 에너지 상용화에는 많은 어려움이 놓여 있는 상황에서, 최근 물리과학 전문 매체인 피직스월드(physicsworld)는 온라인 판을 통해 미국의 버펄로대 연구팀이 실리콘과 물이 반응할 때 열이나 빛, 그리고 전기를 필요로 하지 않으면서도 즉시 수소가 발생할 수 있는 기술을 개발했다고 보도해 주목을 끌고 있다.
피직스월드는 기사를 통해 파라스 프라사드(Paras Prasad)와 마크 스위하트(Mark Swihard)가 이끄는 뉴욕 주립대 버펄로 대학(SUNY)의 연구팀이 개발한 수소생성 기술은 작은 연료 전지를 구동하는 데 이용될 수 있을 것이라고 보도하면서, 단지 물만 있으면 언제든지 수소를 생성할 수 있는 편리한 기술이라고 소개했다.
그렇다면 물을 원료로 하여 필요할 때마다 수소를 분리해 사용하면 어떨까? 이 방법도 경제성 면에서 많은 문제점이 있다. 우선 물리적인 면을 보면 전기로 수소와 산소를 분리할 때는 열역학 법칙에 의거하여 반드시 외부에서 에너지가 유입돼야 하기 때문에 지속적으로 비용과 노력이 들어가게 된다.
반면에 화학적으로 수소를 생성하는 기술에는 벌크한 실리콘을 물과 반응시키는 방법이 있지만, 이 과정은 진행속도가 너무 느려서 효율적이지 못하다는 단점과 여기에 산화물까지 형성되는 이중고로 인해 그동안 거의 연구되지 않았었다. 다만, 실리콘이 이론적으로 1몰 당 2몰의 수소를 배출할 수 있기 때문에 높은 에너지 밀도와 이산화탄소 배출이 없다는 점은 장점으로 여겨져 왔다.
많은 어려움이 따르는 수소의 에너지 상용화
이처럼 수소의 에너지 상용화에는 많은 어려움이 놓여 있는 상황에서, 최근 물리과학 전문 매체인 피직스월드(physicsworld)는 온라인 판을 통해 미국의 버펄로대 연구팀이 실리콘과 물이 반응할 때 열이나 빛, 그리고 전기를 필요로 하지 않으면서도 즉시 수소가 발생할 수 있는 기술을 개발했다고 보도해 주목을 끌고 있다.
피직스월드는 기사를 통해 파라스 프라사드(Paras Prasad)와 마크 스위하트(Mark Swihard)가 이끄는 뉴욕 주립대 버펄로 대학(SUNY)의 연구팀이 개발한 수소생성 기술은 작은 연료 전지를 구동하는 데 이용될 수 있을 것이라고 보도하면서, 단지 물만 있으면 언제든지 수소를 생성할 수 있는 편리한 기술이라고 소개했다.
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| ▲ 반응속도 증가율은 표면적 증가율만 고려한 예상치보다 훨씬 빠르게 증가했다 ⓒSUNY |
버펄로대 연구팀은 이번 연구를 통해 실리콘 나노입자들이 높은 표면적 비율 덕분에 벌크한 실리콘에 비해 수소를 훨씬 빠르게 생성한다는 것을 확인했다. 연구팀은 이 반응속도 증가율이 표면적 증가율만 고려한 예상치보다 훨씬 빠르게 증가한다는 점도 추가로 발견했다.
실제로 연구팀은 10nm의 실리콘을 사용했을 때의 수소 생산속도가 100nm의 실리콘 입자에 대비해 150배 빠르다고 보고했다. 이렇게 차이가 나는 현상을 이해하기 위해서 연구팀은 실리콘이 모두 소모되기 전에 반응을 중지시키는 실험을 했다.
반응이 진행되면서 10nm 실리콘 입자들은 크기는 감소하지만 모양은 변하지 않고 대략적으로 구형을 유지한 반면에, 100nm 입자들은 크기가 고르게 감소하지 않고 움푹 팬 껍질 모양을 띄거나 혹은 약간의 실리콘 단분자층으로 구성된 벽으로 둘러싸인 캡슐을 형성했다.
이런 현상에 대해 프라사드 박사는 “10nm 실리콘의 경우 모든 방향이 균일한 등방성(Isotropic) 에칭인데 비해, 이보다 큰 100nm 입자들의 경우 수직방향으로만 균일한 이방성(Anisotropic) 에칭이기 때문에 에칭역학(Etching Dynamics)의 변화가 이러한 생산속도 차이를 가져온 것으로 보인다”고 언급했다.
프라사드 박사는 “이와 같은 결과들은 벌크한 실리콘이 미세하게 나뉘어진 나노 실리콘을 사용하는 것이야말로 열과 빛, 그리고 전기 에너지를 추가하지 않아도 현장에서의 수소 생산을 위한 실용적인 방법이라는 것을 보여주는 증거”라면서 “이 기술을 더욱 발전시킬 경우, 작은 휴대용 디바이스를 구동하는 데 가장 효과적일 것으로 생각되기 때문에 미래에는 덩치가 큰 가솔린 혹은 디젤 발전기를 대체할 것”이라고 예상했다.
휴대용 전자기기의 보급에 기여할 것으로 예상
현재 연구팀은 이미 선풍기를 구동하는 작은 연료전지 테스트를 성공리에 마친 것으로 알려졌다. 그들은 지금 크기가 큰 실리콘 입자들을 반응시킬 때 형성되는 속이 빈 나노구조를 보다 세밀하게 연구중이다. 또한 실리콘 나노입자들과 알칼리 수소화물 같은 다른 소재들을 혼합했을 때 수소가 어떻게 생성될 수 있는지도 조사중인 것으로 알려졌다.
특히, 이번 프로젝트의 공동 책임자인 스위하트 박사는 “속이 패인 ‘나노풍선(nanoballoons)’ 형태의 나노 구조들은 리튬 이온 배터리의 양극 부분에 응용될 수도 있다”고 설명하면서 “이 기술이 아직 수소를 대량 생산하는 수준에까지 이르지는 못했지만, 전반적인 효율성을 볼 때 일차 전지나 기타 휴대 전원에 비하면 매우 경쟁력이 있을 수 있기 때문에 이들 분야에 응용하면 흥미로울 것”이라고 전망했다.
실리콘 나노입자는 알루미늄이나 아연과 같이 대기 중에서 안정한 수소생산 물질과 비교했을 때 활성도가 더 높아 수소 생산에 훨씬 실용적이다. 따라서 향후 나노 실리콘 기술을 카트리지 기술(Cartridge Technologies)에 효과적으로 활용한다면 간단하게 물만 투입하여 수소를 생산하고, 이를 동력으로 전달되는 수소연료전지 휴대용 전자기기의 보급 활성화에도 기여할 것으로 예상된다.
실제로 연구팀은 10nm의 실리콘을 사용했을 때의 수소 생산속도가 100nm의 실리콘 입자에 대비해 150배 빠르다고 보고했다. 이렇게 차이가 나는 현상을 이해하기 위해서 연구팀은 실리콘이 모두 소모되기 전에 반응을 중지시키는 실험을 했다.
반응이 진행되면서 10nm 실리콘 입자들은 크기는 감소하지만 모양은 변하지 않고 대략적으로 구형을 유지한 반면에, 100nm 입자들은 크기가 고르게 감소하지 않고 움푹 팬 껍질 모양을 띄거나 혹은 약간의 실리콘 단분자층으로 구성된 벽으로 둘러싸인 캡슐을 형성했다.
이런 현상에 대해 프라사드 박사는 “10nm 실리콘의 경우 모든 방향이 균일한 등방성(Isotropic) 에칭인데 비해, 이보다 큰 100nm 입자들의 경우 수직방향으로만 균일한 이방성(Anisotropic) 에칭이기 때문에 에칭역학(Etching Dynamics)의 변화가 이러한 생산속도 차이를 가져온 것으로 보인다”고 언급했다.
프라사드 박사는 “이와 같은 결과들은 벌크한 실리콘이 미세하게 나뉘어진 나노 실리콘을 사용하는 것이야말로 열과 빛, 그리고 전기 에너지를 추가하지 않아도 현장에서의 수소 생산을 위한 실용적인 방법이라는 것을 보여주는 증거”라면서 “이 기술을 더욱 발전시킬 경우, 작은 휴대용 디바이스를 구동하는 데 가장 효과적일 것으로 생각되기 때문에 미래에는 덩치가 큰 가솔린 혹은 디젤 발전기를 대체할 것”이라고 예상했다.
휴대용 전자기기의 보급에 기여할 것으로 예상
현재 연구팀은 이미 선풍기를 구동하는 작은 연료전지 테스트를 성공리에 마친 것으로 알려졌다. 그들은 지금 크기가 큰 실리콘 입자들을 반응시킬 때 형성되는 속이 빈 나노구조를 보다 세밀하게 연구중이다. 또한 실리콘 나노입자들과 알칼리 수소화물 같은 다른 소재들을 혼합했을 때 수소가 어떻게 생성될 수 있는지도 조사중인 것으로 알려졌다.
특히, 이번 프로젝트의 공동 책임자인 스위하트 박사는 “속이 패인 ‘나노풍선(nanoballoons)’ 형태의 나노 구조들은 리튬 이온 배터리의 양극 부분에 응용될 수도 있다”고 설명하면서 “이 기술이 아직 수소를 대량 생산하는 수준에까지 이르지는 못했지만, 전반적인 효율성을 볼 때 일차 전지나 기타 휴대 전원에 비하면 매우 경쟁력이 있을 수 있기 때문에 이들 분야에 응용하면 흥미로울 것”이라고 전망했다.
실리콘 나노입자는 알루미늄이나 아연과 같이 대기 중에서 안정한 수소생산 물질과 비교했을 때 활성도가 더 높아 수소 생산에 훨씬 실용적이다. 따라서 향후 나노 실리콘 기술을 카트리지 기술(Cartridge Technologies)에 효과적으로 활용한다면 간단하게 물만 투입하여 수소를 생산하고, 이를 동력으로 전달되는 수소연료전지 휴대용 전자기기의 보급 활성화에도 기여할 것으로 예상된다.
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| ▲ 휴대용 전자기기 보급에 기여할 것으로 보이는 수소생성 기술 ⓒSUNY |
이에 대해 연구팀의 일원인 폴러린 에로그보그보(Folarin Erogbogbo) 연구원은 “수소 발생이 가능한 다른 나노입자와 비교할 때 부피당 높은 표면적을 갖고 있는 실리콘 나노입자가 벌크 실리콘에 대비해 더 빠르게 수소를 생산할 것으로 예상은 하고 있었지만, 실제로 수소 생산속도를 높이기 위해 실리콘을 활용하는 연구는 지금까지 없었다”고 평가했다.
에로그보그보 연구원은 “실리콘 기반의 수소 생산을 위해서는 나노입자 생산에 대한 규모 확대 및 효율적인 에너지 공정을 먼저 개발해야 한다”고 주장하면서 “연구팀은 kg/h 단위로 생산이 가능한 레이저 열분해(Laser Pyrolysis) 기술이 향후 이러한 실용화 공정에서 활용될 수 있을 것으로 보고 있다”고 밝혔다.
한편, 연구팀은 알칼리 금속 수소화물이 물과 반응하면 수소를 방출하면서 수산화나트륨 같은 알칼리 금속 수산화물을 생성하는 결과에 대해 “이들 금속 수산화물은 그 자체로는 공기와 반응하면 불안정해지지만, 실리콘 나노입자들로 코팅을 하면 공기 중에서도 안정되고 다루기 쉬우며 수소 생성 용량을 증가시킬 수 있기 때문에 앞으로 다양하게 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다.
 저작권자 2013.02.19 ⓒ ScienceTimes |
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