가까이 다가간 인공 광합성의 꿈?

 전세계 수많은 과학자들이 태양 에너지를 이용해서 바로 유용한 물질을 생산하는 연구에 몰두해 있습니다. 예를 들어 태양 전지에서 바로 화학 반응을 일으켜서 물을 산소와 수소로 분리하는 방식이죠. 이 방법의 장점은 낮에만 생산이 가능해도 문제가 없다는 것입니다. 태양전지는 이미 널리 보급되어 있고 앞으로도 더 보급이 되겠지만, 낮시간대에만 전력 생산이 가능하다는 것은 큰 문제입니다.

 태양 에너지를 이용한 태양 화학 전지는 이런 문제를 극복할 수 있습니다. 낮에 수소를 생산해서 언제든지 다양한 장소에 에너지원으로 사용할 수 있으니까요. 더 나아가 수소를 이용해서 다양한 화학 반응에 사용할 수 있습니다.

 그러나 여기에는 여러 가지 기술적 장벽이 존재합니다. 단기간 태양 에너지를 이용해서 수소와 산소로 분리하는 촉매는 이전부터 알려져 있지만, 상업화를 이용해서는 몇 년이고 장기적으로 안정하게 양산이 가능해야 합니다.

 여기에 산소와 수소가 서로 잘 분리되어 폭발 사고의 위험성이 없어야 하며, 높은 에너지 전환 효율성으로 단위 면적당 충분한 생산이 가능해야 합니다. 그리고 종합적으로는 이 모든 과정이 경제적으로 이뤄질 수 있는 촉매와 반응 장치가 필요합니다. (예를 들어 아주 단가가 높은 희토류 원소를 사용하는 촉매나 비싼 반응용기를 사용하면 안된다는 이야기)

 이 과제를 달성하기 위해서 캘리포니아 공과대학과 미국 에너지부의 인공 광합성 합동 연구(Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP))팀은 새로운 형태의 촉매와 반응용기를 개발하는 연구를 2010년부터 진행해 왔습니다. 그리고 이제 인공 광합성에 꿈에 한걸음 더 다가간 프로토타입을 내놓았습니다.

((From left to right): Chengxiang Xiang and Erik Verlage assemble a monolithically integrated III-V device, protected by a TiO2 stabilization layer, which performs unassisted solar water splitting with collection of hydrogen fuel and oxygen. Credit: Lance Hayashida/Caltech )
 

(A highly efficient photoelectrochemical (PEC) device uses the power of the sun to split water into hydrogen and oxygen. The stand-alone prototype includes two chambers separated by a semi-permeable membrane that allows collection of both gas products. Credit: Lance Hayashida/Caltech )

 태양에너지를 이용해서 물을 직접 전기 분해하는 데 어려움은 여러 가지가 있지만, 그 중에서 전해질 수용액이 실리콘이나 갈륨 비소 같은 태양에너지를 잘 흡수하는 물질을 산화(쉽게 말해 녹슬게) 시킨다는 문제였습니다.

 이 문제를 극복하기 위해서 JCAP의 과학자들은 62.5nm 두께의 초박막 산화티타늄(TiO2)을 이용해 막을 분리했습니다. 이들이 만든 태양광 반응 용기는 산소와 수소가 서로 혼합되지 않고 막으로 분리되는 특징을 지니고 있습니다. (아래 그림 참조)

(Illustration of an efficient, robust and integrated solar-driven prototype featuring protected photoelectrochemical assembly coupled with oxygen and hydrogen evolution reaction catalysts. Credit: Image provided courtesy of Joint Center for Artificial Photosynthesis; artwork by Darius Siwek. )

(동영상)

 이들이 만든 반응용기는 매우 작지만 10%라는 좋은 효율을 보였으며 40시간 동안 안정적으로 작동했습니다. 앞으로의 과제는 대규모의 수소 생산이 가능한 저렴하고 오래가는 반응 장치입니다. 일단 JCAP의 프로토타입은 목표에 가장 가까이 도달했다는 평가를 받고 있지만, 아직 갈길이 먼 상태입니다.

 근미래에 수소를 대량으로 생산하는 태양 화학 공장이 대중화 될지는 아직 알 수 없지만, 이런 식으로 연구가 진행되면 불가능한 일은 아니라고 생각됩니다.

 참고

   "A monolithically integrated, intrinsically safe, 10% efficient, solar-driven water-splitting system based on active, stable earth-abundant electrocatalysts in conjunction with tandem III–V light absorbers protected by amorphous TiO₂ films." Energy Environ. Sci., 2015, Advance Article DOI: 10.1039/C5EE01786F                                         

  http://phys.org/news/2015-08-artificial-leaf-harnesses-sunlight-efficient.html#jCp