백금촉매 대체하는 고효율 수소 생산기술
[인터뷰] 이주한 기초연 물성과학연구부 박사
최근 화석연료 사용이 증가하면서 지구 온난화문제와 화석연료 고갈에 대한 문제가 제기되고 있다. 이에 따라 혹시 모를 에너지난에 대비한 대체에너지원 개발의 필요성이 계속 증가하고 있다. 지난 여름에도 우리나라는 전력난을 겪으며 원자력에 지나치게 의존하는 에너지 시스템 구조를 벗어날 필요를 느꼈다.
이런 가운데 주목받는 대체에너지 원으로는 태양열과 태양광 발전, 풍력발전, 조력발전, 핵융합 등이 있다. 이 중에서도 수소는 미래에너지원으로 주목받는 물질로 지구상에 무한정으로 공급되는 태양에너지를 활용해 광화학적으로 물을 광분해함으로써 생산할 수 있어 관심이 뜨겁다.
“바로 전기로 생산하는 태양전지도 연구가 활발하지만 태양광을 이용해 광화학적으로 물을 광분해한다면 일반연료로부터 연료전지까지 거의 모든 분야의 에너지로 사용될 수 있어요. 수소는 사용 후에 물로 재순환이 이뤄지기 때문에 환경적으로도 거의 완벽한 에너지원이 될 수 있습니다.”
질소 도핑된 단층 그래핀 이용한 수소 생산법
국내연구진이 세계 최초로 수소 생산용 그래핀 기반 촉매제를 개발했다. 이주한 한국기초과학지원연구원 박사와 남기태‧홍병희 서울대 교수 공동연구팀이 질소가 도핑된 단층 그래핀을 이용해 개발한 수소 생산법을 에너지 환경과학 분야 최고 권위지인 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’지에 게재된 것이다.
이주한 박사팀은 질소 도핑된 그래핀 층의 화학적 조성과 실리콘 표면의 보호 역할을 증명했으며, 이를 토대로 남기태 교수팀과 홍병희 교수팀은 실리콘 광음극에 질소가 도핑된 그래핀을 적용해 기존 수소생산용 백금 촉매제를 대체할 만한 수준의 광전기화학 효율을 구현할 수 있었다.
“수소는 거의 무한정하게 사용할 수 있는 에너지입니다. 게다가 청정에너지인 만큼 환경문제에 있어서도 굉장히 자유로워요. 현재 이러한 다양한 이유로 인해 수소를 생산하는 기술이 주목을 받고 있습니다. 지구상에 무한정 제공되는 태양에너지를 활용해 광화학적으로 물을 광분해하면서 수소를 생산하는 기술이 관심을 받고 있는 것이죠.”
전기가 생산되는 태양전지 연구도 활발하지만 태양광을 이용해 광화학적으로 물을 광분해한다면 일반연료부터 연료전지까지 거의 모든 분야의 에너지로 사용될 수 있다. 더불어 수소는 사용 후에도 물로 재순환이 이뤄지기 때문에 환경적으로도 거의 완벽한 에너지원이라고 할 수 있다.
“보통 n-형 반도체양극과 금속음극을 전해질 용액에 넣고 태양광을 입사하면 전극으로부터 용액으로 전자이동이 일어나고 이 전자의 이동이 전해질 속에 있는 반도체 전극표면의 전위를 달라지게 해서 띠구부러짐 현상이 일어납니다. 이 때 광전극이 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 빛을 흡수하면서 전자가 에너지를 얻어서 들뜨게 되고 ‘electron-hole pair’ 가 형성돼요. 그렇게 궁극적으로 전해질을 전기분해하고 있죠.”
이 때 n-형 반도체 양극표면을 처리하는 촉매제에 의해 광전기화학효율이 결정되는데 일반적으로 고가의 금속이 촉매제로 사용되면서 수소생산의 경제성이 문제가 돼 왔다. 이에 따라 이주한 박사팀은 세계최초로 질소가 도핑된 그래핀을 활용한 수소생산용 촉매제를 개발했다.
“물을 광분해하기 위해서 PEC(광전기화학 셀)을 이용하는 방법이 보편적으로 사용돼 왔어요. 이 때 필요한 광촉매로 지금까지는 주로 고가의 금속인 백금(Pt)을 고효율 촉매로 사용했죠. 하지만 질소가 도핑된 그래핀 기반의 단일박막 촉매를 이용해 기존 백금 촉매를 대체할 수 있는 광전기화학효율을 얻음으로써 수소생산의 경제성을 향상시켰다고 볼 수 있습니다. 대량생산의 기회를 넓혔으니까요.”
광전기화학 셀을 물에서 사용할 경우 실리콘 표면의 산화가 진행돼 셀의 수명이 짧아지게 되는데 이주한 박사팀은 그래핀이 가진 표면 보호효과로 인해 실리콘 표면의 산화를 지연시킬 수 있다는 것을 XPS 분석을 통해 증명, 이를 기반으로 고가의 금속을 대체할만한 저가의 촉매시스템을 개발했다.
“광전기화학 효율을 향상시키는 질소 도핑 시료의 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy, X선 광전자 분광법)를 분석해 화학적 상태의 질소 흡착 구조를 규명했습니다. 또한 광전기화학 셀을 물에서 사용할 경우 실리콘 표면의 산화가 진행돼 셀의 수명이 짧아지게 되는데, 그래핀이 가진 표면 보호효과로 인해 실리콘 표면의 산화를 지연시킬 수 있다는 것을 XPS 분석을 통해 증명했죠.”
이러한 분석을 토대로 연구팀은 구리 위에서 합성된 단층 그래핀을 질소 플라즈마로 도핑 처리하면 백금과 유사한 촉매제로 사용할 수 있다는 것을 최초로 발견했다. 또한 질소 도핑된 그래핀을 실리콘 촉매전극과 결합해 광전기화학을 이용한 물분해 반응에 적용했을 때 최고 수준의 효율을 보일 수 있다는 것 역시 나타낼 수 있었다.
그래핀 응용성 보여준 대표적 사례
이주한 박사팀의 이번 연구는 그래핀을 이용해 백금의 높은 단가를 낮췄다는 데 의의가 있다.
“그래핀은 영국의 Geim 박사가 2010년 노벨 물리학상을 수상한 이후로 더욱 관심을 받고 있는 신소재입니다. 기존 신소재에 비해서 생산방법이 단순하면서도 전자의 이동속도가 실리콘보다 20배 이상 빠르고 열전도율도 구리보다 약 20배가 높으며, 형상조절이 용이해서 꿈의 신소재로 각광을 받고 있죠. 현재 전 세계의 과학자들이 그래핀을 이용한 다양한 응용제품을 만들려고 노력을 하고 있습니다. 이번에 개발된 그래핀 기반 광촉매 시스템은 환경과 대체에너지원 개발에 있어서 그래핀의 응용성을 보여준 대표적 연구결과로 볼 수 있습니다.”
더불어 이주한 박사는 이번 연구가 정부출연연구소와 대학 기관의 융합연구가 결실을 맺은 사례여서 더욱 뜻 깊은 연구라고 강조했다.
“우수한 학생들과 뛰어난 교수진이 있는 대학교에서 물질을 개발하고, 대학교에선 실행하기 어려운 분석은 다년간의 분석노하우와 첨단장비를 갖춘 정부출연연구소에서 수행했어요. 그렇게 시너지 효과를 창출했다고 생각합니다. 더불어 기초적인 물성연구가 훗날 큰 상업성을 창출할 수 있는 응용연구로의 가능성이 됐고요.
이번 연구만으로 그래핀의 상용화라는 큰 과제가 단숨에 해결된 것은 결코 아닙니다. 여전히 연구해야 할 부분이 많이 남아있고 상용화 및 대량생산을 위해서도 해결해야 될 문제들이 많이 남아있는 게 사실입니다. 그러나 큰 벽 하나를 넘어섰고 그 힘을 통해 앞으로의 문제들도 충분히 해결해나갈 수 있다고 믿고 있어요.”
이주한 박사팀의 이번 연구결과는 수소를 대량생산할 수 있는 중요단서를 제공했으므로 수소에너지 개발에 활용될 것으로 기대되고 있다. “수소가 대량생산된다면 이를 활용한 수소에너지 실용화 연구가 가속을 받게 될 것입니다. 휘발유 대신에 수소엔진을 장착한 수소자동차가 등장할 것이고 수소연료전지를 이용한 전기에너지, 수소 전력 발전 등이 두각을 나타낼 거예요. 수소는 공해물질을 생산하지 않기 때문에 지구의 환경보존에도 큰 역할을 하게 되겠죠.”
이런 가운데 주목받는 대체에너지 원으로는 태양열과 태양광 발전, 풍력발전, 조력발전, 핵융합 등이 있다. 이 중에서도 수소는 미래에너지원으로 주목받는 물질로 지구상에 무한정으로 공급되는 태양에너지를 활용해 광화학적으로 물을 광분해함으로써 생산할 수 있어 관심이 뜨겁다.
“바로 전기로 생산하는 태양전지도 연구가 활발하지만 태양광을 이용해 광화학적으로 물을 광분해한다면 일반연료로부터 연료전지까지 거의 모든 분야의 에너지로 사용될 수 있어요. 수소는 사용 후에 물로 재순환이 이뤄지기 때문에 환경적으로도 거의 완벽한 에너지원이 될 수 있습니다.”
질소 도핑된 단층 그래핀 이용한 수소 생산법
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| ▲ 이주한 기초연 물성과학연구부 박사 ⓒ이주한 |
국내연구진이 세계 최초로 수소 생산용 그래핀 기반 촉매제를 개발했다. 이주한 한국기초과학지원연구원 박사와 남기태‧홍병희 서울대 교수 공동연구팀이 질소가 도핑된 단층 그래핀을 이용해 개발한 수소 생산법을 에너지 환경과학 분야 최고 권위지인 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’
이주한 박사팀은 질소 도핑된 그래핀 층의 화학적 조성과 실리콘 표면의 보호 역할을 증명했으며, 이를 토대로 남기태 교수팀과 홍병희 교수팀은 실리콘 광음극에 질소가 도핑된 그래핀을 적용해 기존 수소생산용 백금 촉매제를 대체할 만한 수준의 광전기화학 효율을 구현할 수 있었다.
“수소는 거의 무한정하게 사용할 수 있는 에너지입니다. 게다가 청정에너지인 만큼 환경문제에 있어서도 굉장히 자유로워요. 현재 이러한 다양한 이유로 인해 수소를 생산하는 기술이 주목을 받고 있습니다. 지구상에 무한정 제공되는 태양에너지를 활용해 광화학적으로 물을 광분해하면서 수소를 생산하는 기술이 관심을 받고 있는 것이죠.”
전기가 생산되는 태양전지 연구도 활발하지만 태양광을 이용해 광화학적으로 물을 광분해한다면 일반연료부터 연료전지까지 거의 모든 분야의 에너지로 사용될 수 있다. 더불어 수소는 사용 후에도 물로 재순환이 이뤄지기 때문에 환경적으로도 거의 완벽한 에너지원이라고 할 수 있다.
“보통 n-형 반도체양극과 금속음극을 전해질 용액에 넣고 태양광을 입사하면 전극으로부터 용액으로 전자이동이 일어나고 이 전자의 이동이 전해질 속에 있는 반도체 전극표면의 전위를 달라지게 해서 띠구부러짐 현상이 일어납니다. 이 때 광전극이 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 빛을 흡수하면서 전자가 에너지를 얻어서 들뜨게 되고 ‘electron-hole pair’ 가 형성돼요. 그렇게 궁극적으로 전해질을 전기분해하고 있죠.”
이 때 n-형 반도체 양극표면을 처리하는 촉매제에 의해 광전기화학효율이 결정되는데 일반적으로 고가의 금속이 촉매제로 사용되면서 수소생산의 경제성이 문제가 돼 왔다. 이에 따라 이주한 박사팀은 세계최초로 질소가 도핑된 그래핀을 활용한 수소생산용 촉매제를 개발했다.
“물을 광분해하기 위해서 PEC(광전기화학 셀)을 이용하는 방법이 보편적으로 사용돼 왔어요. 이 때 필요한 광촉매로 지금까지는 주로 고가의 금속인 백금(Pt)을 고효율 촉매로 사용했죠. 하지만 질소가 도핑된 그래핀 기반의 단일박막 촉매를 이용해 기존 백금 촉매를 대체할 수 있는 광전기화학효율을 얻음으로써 수소생산의 경제성을 향상시켰다고 볼 수 있습니다. 대량생산의 기회를 넓혔으니까요.”
광전기화학 셀을 물에서 사용할 경우 실리콘 표면의 산화가 진행돼 셀의 수명이 짧아지게 되는데 이주한 박사팀은 그래핀이 가진 표면 보호효과로 인해 실리콘 표면의 산화를 지연시킬 수 있다는 것을 XPS 분석을 통해 증명, 이를 기반으로 고가의 금속을 대체할만한 저가의 촉매시스템을 개발했다.
“광전기화학 효율을 향상시키는 질소 도핑 시료의 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy, X선 광전자 분광법)를 분석해 화학적 상태의 질소 흡착 구조를 규명했습니다. 또한 광전기화학 셀을 물에서 사용할 경우 실리콘 표면의 산화가 진행돼 셀의 수명이 짧아지게 되는데, 그래핀이 가진 표면 보호효과로 인해 실리콘 표면의 산화를 지연시킬 수 있다는 것을 XPS 분석을 통해 증명했죠.”
이러한 분석을 토대로 연구팀은 구리 위에서 합성된 단층 그래핀을 질소 플라즈마로 도핑 처리하면 백금과 유사한 촉매제로 사용할 수 있다는 것을 최초로 발견했다. 또한 질소 도핑된 그래핀을 실리콘 촉매전극과 결합해 광전기화학을 이용한 물분해 반응에 적용했을 때 최고 수준의 효율을 보일 수 있다는 것 역시 나타낼 수 있었다.
그래핀 응용성 보여준 대표적 사례
이주한 박사팀의 이번 연구는 그래핀을 이용해 백금의 높은 단가를 낮췄다는 데 의의가 있다.
“그래핀은 영국의 Geim 박사가 2010년 노벨 물리학상을 수상한 이후로 더욱 관심을 받고 있는 신소재입니다. 기존 신소재에 비해서 생산방법이 단순하면서도 전자의 이동속도가 실리콘보다 20배 이상 빠르고 열전도율도 구리보다 약 20배가 높으며, 형상조절이 용이해서 꿈의 신소재로 각광을 받고 있죠. 현재 전 세계의 과학자들이 그래핀을 이용한 다양한 응용제품을 만들려고 노력을 하고 있습니다. 이번에 개발된 그래핀 기반 광촉매 시스템은 환경과 대체에너지원 개발에 있어서 그래핀의 응용성을 보여준 대표적 연구결과로 볼 수 있습니다.”
더불어 이주한 박사는 이번 연구가 정부출연연구소와 대학 기관의 융합연구가 결실을 맺은 사례여서 더욱 뜻 깊은 연구라고 강조했다.
“우수한 학생들과 뛰어난 교수진이 있는 대학교에서 물질을 개발하고, 대학교에선 실행하기 어려운 분석은 다년간의 분석노하우와 첨단장비를 갖춘 정부출연연구소에서 수행했어요. 그렇게 시너지 효과를 창출했다고 생각합니다. 더불어 기초적인 물성연구가 훗날 큰 상업성을 창출할 수 있는 응용연구로의 가능성이 됐고요.
이번 연구만으로 그래핀의 상용화라는 큰 과제가 단숨에 해결된 것은 결코 아닙니다. 여전히 연구해야 할 부분이 많이 남아있고 상용화 및 대량생산을 위해서도 해결해야 될 문제들이 많이 남아있는 게 사실입니다. 그러나 큰 벽 하나를 넘어섰고 그 힘을 통해 앞으로의 문제들도 충분히 해결해나갈 수 있다고 믿고 있어요.”
이주한 박사팀의 이번 연구결과는 수소를 대량생산할 수 있는 중요단서를 제공했으므로 수소에너지 개발에 활용될 것으로 기대되고 있다. “수소가 대량생산된다면 이를 활용한 수소에너지 실용화 연구가 가속을 받게 될 것입니다. 휘발유 대신에 수소엔진을 장착한 수소자동차가 등장할 것이고 수소연료전지를 이용한 전기에너지, 수소 전력 발전 등이 두각을 나타낼 거예요. 수소는 공해물질을 생산하지 않기 때문에 지구의 환경보존에도 큰 역할을 하게 되겠죠.”
 저작권자 2013.10.23 ⓒ ScienceTimes |
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