보다 깨끗한 수소 생산을 위한 해답은 바로 광촉매입니다

탈탄소를 위해서는 신뢰할 수 있는 대규모 청정 에너지원을 개발해야 합니다. 화석 연료에서 전환하는 데 있어 한 가지 핵심적인 요소는 수소로, 장시간 보관이 가능해 터빈 동력 공급을 위한 천연 가스 대체제로 사용하거나 클린 연소 연료 전지 형태로 사용할 수 있습니다. 국제에너지기구(IEA)는 2050년까지 순배출 제로 목표를 달성하려면 전 세계적으로 총 에너지 소비의 10% 이상을 수소에 의존해야 한다고 밝혔습니다.

현재 수소 생산이 이루어지고는 있지만 미국의 수소 생산 공정 중 95%가 화석 연료를 태우는 방식으로, 탄소 배출량이 많아 탈탄소에 기여하지 못합니다. 이 점이 바로 재생 에너지원을 사용하여 물 분자를 분해하는 청정 수소 생산이 중요한 이유입니다. 태양 에너지를 사용하여 물의 수소와 산소를 분해하는 방식을 개발하는 것은 화학 분야에서 달성하고자 하는 “궁극적 목표” 중 하나였습니다.

하지만 상용화하기에 충분할 정도로 이러한 반응을 큰 규모로 이끌어 내는 것이 여전히 과제로 남아 있습니다. 이 과제를 해결하려면 관련 물질이 특정 속성을 가져야 하며 과학자들은 수십 년 동안 적합한 후보를 찾기 위한 노력을 기울여 왔습니다. CAS의 동료들과 저는 최근 광촉매 관련 연구 현황을 살펴보았으며 CAS Content Collection^TM에서 찾아낸 결과물에 따르면 과학 커뮤니티에서 상용화 가능성을 높이는 데 상당한 진척을 보이고 있습니다.

여전히 중요한 작업이 남아 있지만, 현재 이 연구에 대한 전망은 굉장히 밝습니다.

광촉매란 무엇일까요?

광촉매는 일반적으로 수성 매질에서 분산되는 반도체 소재를 자극해 전자 및 정공 쌍을 형성하는 화학 반응입니다. 1972년 Kenichi Honda와 Akira Fujishima가 처음 발견한 이 반응은 물에 잠긴 이산화티타늄 전극에 빛을 쏘일 때 일어났습니다. 이 반응으로 만들어진 정공이 주변 물 분자로부터 전자를 더 많이 끌어와 물을 수소와 산소로 분해할 수 있습니다.

그 결과 탄소 배출 없는 수소 생산이 가능하며, 클린 연소 연료와 화석 연료의 대체제로 사용하기 위해 보관해 둘 수 있습니다. 광촉매는 다른 유형의 환경 복원, 특히 물 정화와 폐수 오염물 파괴 등에도 활용할 수 있습니다. 광촉매는 물 속의 염료나 화학물질과 같은 비유기 물질과 미생물을 성공적으로 분해했습니다. 이 공정은 물 또는 용액에서 발생하는 반응을 뛰어넘는 핵심적인 기술 발전으로, 토양 속 살충제 처리에도 활용이 가능할 수 있습니다.

이러한 공정에서 가장 시급한 문제는 복잡한 인프라 없이 청정 수소를 생산하는 것입니다. 물에 분말을 더하면 광촉매 반응을 일으킬 수 있는데, 이는 태양광 전해조를 통해 수소를 생산하는 다른 탄소 무배출 방식보다 훨씬 더 간단합니다. 그 결과 연구원들은 적합한 광촉매를 찾고 이러한 공정의 상업성을 높이기 위한 작업에 속도를 낼 수 있었습니다.

최근 광촉매 연구 현황

CAS Content Collection^TM 분석 결과, 학술지와 특허 문헌에 인용된 가장 공통적인 개념은 광촉매 반응, 그리고 광촉매 자체의 물질적 속성과 관련이 있었습니다. 광촉매는 경제적인 측면에서 화석 연료와 대등한 수준의 경쟁력을 갖추기 위해 가시광선을 사용해야 하기 때문에 이러한 경향은 자연스럽다고 할 수 있습니다. 대부분의 태양광은 가시 범위에 속하므로, 경제적인 방식으로 사용하여 대규모 반응을 유도해야 합니다. 구체적으로는 태양열-수소(STH) 효율이 6-10% 이상이어야 합니다.

이러한 수치를 달성하려면 광촉매가 어떠한 속성을 가져야 할까요? 첫째, 전도띠와 원자가띠가 특정 위치에 있어야 합니다(그림 2). 이러한 띠의 배치를 통해 전자의 이동이 가능해집니다. 이는 반도체의 속성이자 광촉매 반응의 필수 요소입니다. 전도띠는 0볼트에서 음수여야 하며 원자가띠는 1.23볼트 이상에서 양수여야 합니다. 광촉매의 띠가 이러한 위치에 있지 않으면 반응에 필요한 에너지가 부족해집니다.

둘째, 띠틈(밴드갭), 즉 전도띠와 원자가띠 사이 공간이 가시광선을 흡수할 수 있어야 합니다. 이 기준을 충족하기 위해서는 밴드갭이 1.23볼트와 3.1볼트 사이여야 합니다. 이산화티타늄은 적절한 위치에 띠가 배치된 안정적인 물질이지만, 가시광선을 흡수할 수 없으므로 대규모 광촉매로는 경제성이 없습니다. 따라서 지난 10년 동안 연구원들은 다른 광촉매로 눈을 돌렸습니다.

그림 3에 보여진 것처럼, 이산화티타늄 외에 가장 많이 연구된 광촉매로는 산화아연, 질화탄소, 금속 유기 구조체(MOF) 등이 있습니다.

이러한 광촉매의 공통적인 속성은 밴드갭으로, 3.0볼트 미만이므로 가시광선 흡수가 가능합니다(그림 4). 이러한 속성에도 불구하고, 검토 중인 광촉매는 여전히 단점이 있습니다. 그 결과 과학자들은 반응 효율을 높이기 위해 더 많은 옵션을 살펴보고 있습니다.

향후 과제

CAS의 분석에 따르면 집중 태양광을 사용하는 것을 제외하고, 고려 중인 광촉매들은 6%의 STH 임계값에 도달하지 못했습니다(그림 4).

연구원들은 올바른 띠 위치 및 밴드갭 속성을 얻기 위해 여러 촉매의 결합을 시도하고 있습니다. 고려 중인 가장 유망한 기법은 스텝-스킴(S-scheme) 헤테로 접합으로, 엇갈린 띠 구조를 사용하여 두 촉매를 결합하는 것입니다. 함께 동작 시 이러한 띠의 위치로 인해 전자가 강하고 효율적으로 광촉매 반응을 유발할 수 있습니다. 이러한 속성은 이 기법의 경쟁력을 대폭 높여 줍니다.ⁱ 

하지만 단순히 두 촉매를 결합하기만 하면 되는 것은 아닙니다. 물질을 결합하고 나면 다른 예기치 않은 결과가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 원하는 반응을 일으키기 전에 전자와 정공이 다시 결합할 수 있습니다. 연구원들은 이러한 재결합 과정을 제어할 수 있는 공촉매를 살펴보고 있습니다. 공촉매는 공촉매 표면에 침전해, 생성된 전하 운반체의 활용 속도를 높일 수 있습니다. 현재 여러 공촉매 물질이 연구되고 있으며, 더 많은 연구가 있어야 한다는 점은 분명하지만 광촉매의 미래는 밝을 것으로 예상됩니다.

수소 연료의 미래 실현

탄소 배출 없이 물 분자를 수소와 산소로 분해하는 것은 간단한 작업이 아닙니다. 과학자들은 수십 년 동안 이와 관련한 연구를 진행해 왔습니다. 이러한 공정이 화석 연료를 청정 수소로 대체하는 데 있어 충분한 경제성을 갖추기 위해서는 앞으로도 상당한 진척이 있어야 할 것입니다.

해결해야 할 과제가 산적해 있지만 극복이 불가능한 것은 아닙니다. 최근 CAS Content Collection^TM의 분석 내용에 따르면 광촉매에 대한 혁신적인 연구가 점점 더 증가하고 있습니다. S-scheme 구성 및 공촉매 사용과 같은 기법이 증가하면서 STH 효율과 이러한 기술의 상용화 역량에도 획기적인 진전이 있을 것입니다.

재료 과학 분야의 지속적인 개선과 실험을 통해 세계는 대규모 수소 생산이라는 과업을 달성하고 탈탄소의 미래를 실현할 수 있습니다.