▲ 태양광과 물을 이용한 그린 수소 생산과정 모식도

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 태양광으로 물을 전기 분해해 수소를 생산하기 위한 핵심기술을 개발해 생산과정까지 친환경적인 ‘그린 수소’ 시대를 한층 앞당길 것으로 기대된다.

그린 수소는 신재생 에너지 등을 이용해 탄소 배출 없이 생산되는 수소로, 태양광을 흡수할 수 있는 전극을 물에 담근 후 전기로 물을 분해해 수소를 얻어내는 방식이 대표적이다.
이 방식의 취약점은 태양광과 물에 의해 전극이 쉽게 부식된다는 점이다. 이를 방지하기 위해 보호막을 씌울 경우 전기 전도율이 떨어져 수소 생산 효율이 극히 낮아진다. 그린 수소의 도입이 어려웠던 이유 중 하나다.

태양광 전극의 보호막은 이산화티타늄(TiO2) 등 주로 산화물 소재가 사용된다. 산화물은 전기가 잘 통하지 않는 소재지만 보호막 제조 공정에서 전하가 이동할 수 있는 통로 역할을 하는 산소 결함(defect)이 형성되면 물 분해가 가능해진다.
광전극의 수명을 늘리기 위해서는 전극의 부식을 막을 만큼 내구성이 좋으면서 전기 전도율이 높은 보호막을 개발하는 것이 관건이다.

KRISS는 수소 생산 효율을 극대화할 수 있도록 이산화티타늄(TiO2) 보호막의 산소 결함 양을 제어하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 연구진은 산소 결함의 양에 따라 전하가 이동하는 원리를 광전자분광법과 전기화학적 분석법을 통해 규명함으로써 광전극의 수명 연장과 수소 생산에 최적화된 결함 양을 제시했다.

기존 연구들이 보호막 제조 공정상 자연스럽게 형성되는 산소 결함에 의존한 것과 달리 이번 연구에서는 산소 결함의 양을 의도한 대로 조절할 수 있는 생산방식을 제안했다. 산업계에서 이미 널리 쓰이고 있는 공정을 활용해 양산이 가능한 방식이다.

▲ 연구진이 광전자분광기를 이용해 전극 보호막 내 산소 결함 양을 측정하고 있다(좌측부터 KRISS 소재융합측정연구소 첨단오페란도분석팀 김안순 책임연구원, 홍성웅 post-doc 연구원, 최승욱 UST-KRISS 스쿨 박사과정생)

연구진의 실험 결과에 따르면 보호막이 없는 광전극은 1시간 이내에 수명이 급격히 저하돼 수소 생산 효율이 초기 대비 20% 미만으로 감소한 반면, 수소 생산에 최적화된 보호막을 씌운 광전극은 100시간 후에도 85% 이상의 성능을 유지했다.

이번 성과를 이용하면 태양광 전극의 효율과 수명을 극대화하는 데 기여할 수 있다. 그린 수소 생산 외에 태양광 전극을 사용하는 다른 청정 기술에도 응용 가능하다. 이산화탄소를 포집 후 태양광을 이용해 화학에너지원으로 전환하는 인공 광합성 기술이 대표적이다.

KRISS 소재융합측정연구소 김안순 책임연구원은 “이번 성과를 적용하면 기존 방식 대비 태양광 전극의 수명을 약 10배 향상할 수 있다”며 “그린 수소 실용화를 앞당길 핵심기술”이라고 밝혔다.

▲ KRISS가 개발한 광전극에 인공 태양광을 비추면 물 속에서 수소 기포가 형성되는 것을 확인할 수 있다

KRISS는 후속 연구를 통해 태양광 전극의 수명을 최대화하기 위한 최적의 산소 결함 양과 그 원리를 밝힐 예정이다.

이번 연구의 성과는 재료화학 분야 국제학술지인 저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A, IF=14.511)에 2월 28일자 표지 논문(back cover)으로 게재됐다.

한편, 청정 에너지원으로 각광받는 수소, 정말 환경에 무해할까? 현재 주로 사용되는 수소는 화석연료를 활용해 생산되는 ‘그레이 수소’여서 생산과정에서 이산화탄소가 발생하므로 진정한 친환경 에너지원이라고 보기 어렵워, 탄소 배출 없이 생산되는 ‘그린 수소’의 시대는 아직 도래하지 않고 있다.