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2014년 9월 26일 금요일

태양에너지로 수소를 얻는 평범한 소재



 오늘도 전세계 많은 과학자들이 단 하나의 목표를 위해서 연구를 진행 중에 있습니다. 그 목표란 매우 저렴하게 태양 에너지를 인류에게 유용한 에너지로 전환하는 것입니다. 이미 널리 사용화된 태양전지의 가격을 낮추고 효율을 올리려는 연구는 지금도 한창 진행 중에 있는데 태양 에너지를 조금 다른 각도에서 사용하려는 연구도 활발합니다. 


 대표적인 연구는 태양 에너지를 이용해서 물을 분해해 수소를 얻는 것입니다. 수소를 대량으로 저렴하게 양산할 수 있다면 화석 연료에 대한 의존을 크게 줄이거나 심지어는 화석 연료 자체를 대체할 수 있는 가능성이 있기 때문이죠. 다만 그 과정은 결코 쉽지 않을 것입니다.


 많은 연구자들이 촉매나 미생물, 혹은 다양한 물질을 기반으로 태양에너지를 이용한 수소 생산 연구를 진행 중인데 최근 스위스의 로잔 연방 공과 대학 (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL) 의 연구자들이 희토류 원소가 아니라 매우 흔한 원소를 이용해서 태양에너지 -> 수소 전환 효율 12.3 % 라는 매우 기록적인 성과를 사이언스에 발표했습니다. 


 EPFL 의 마이클 그뢰첼 (Michael Gratzel) 과 그의 박사후 과정 연구자인 징산루오 (Jingshan Luo, post-doctoral researcher) 는 페로브스카이트 (Perovskite) 라는 비교적 흔한 물질을 이용해서 이와 같은 성과를 내는데 성공했다고 합니다. CaTiO3 의 화화식을 가지고 있는 이 독특한 물질은 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특이한 물질로 실리콘 태양전지를 대신해서 저렴하고 효율이 좋은 태양전지를 만드는 연구에서 각광을 받는 물질이기도 합니다. 



(When an electrical current is applied, water splits into hydrogen and oxygen.
Credit: EPFL / LPI / Alain Herzog)



(동영상 ) 


 태양에너지를 이용해서 물을 분해할 수 있다면 여러가지 이점이 존재합니다. 이렇게 만들어진 수소는 저장이 가능하기 때문에 태양에너지의 가장 큰 문제인 밤에는 에너지를 얻지 못한다는 부분을 극복할 수 있습니다. 또 물과 태양에너지는 지구에 매우 흔한 자원이라는 것도 중요합니다. 연구팀은 높은 효율은 물론이고 무엇보다 지구에 매우 흔한 원소들을 이용하므로써 (예를 들어 백금같은 비싼 촉매를 필요로 하지 않으면서) 비용을 크게 낮출 수 있는 가능성을 열었다고 보고 있습니다. 


 태양에너지를 이용해서 수소를 생산하는 새로운 방법은 최근 여러 연구자들이 경쟁적으로 발표하고 있으나 경제성과 대량 생산이라는 측면을 만족시키지 못한다면 사실 에너지 혁명을 일으키기는 어려울 것입니다. 이 연구가 사이언스 같은 저명 학술지에 실린 이유는 역시 상용화의 가능성이 높기 때문일 것인데 과연 언제쯤 태양에너지를 이용한 청정 수소 연료 생산이 상업적으로 가능할 지 궁금합니다. 


 참고 


Journal Reference:
  1. Jingshan Luo, Jeong-Hyeok Im, Matthew T. Mayer, Marcel Schreier, Mohammad Khaja Nazeeruddin, Nam-Gyu Park, S. David Tilley, Hong Jin Fan, and Michael Gratzel. Water photolysis at 12.3% efficiency via perovskite photovoltaics and Earth-abundant catalysts. Science, 26 September 2014: 1593-1596 DOI:10.1126/science.1258307



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