(Image showing the difference between the conventional approach to water splitting (alkaline electrolysis) and the E-TAC water splitting technique proposed by the researchers. Credit: Dotan et al.)
믈을 전기 분해하면 수소와 산소가 됩니다. 그리고 이 수소를 산소와 연소시키거나 혹은 연료 전지에서 반응 시키면 에너지가 나옵니다. 따라서 이론적으로 전기 분해를 통해 수소 연료는 무제한으로 쓸 수 있습니다. 이 과정에서 나오는 오염 물질이 없다는 것도 매력적인 조건입니다. 하지만 문제는 물을 전기 분해해서 수소를 만드는 과정이 그렇게 단순하지 않다는 것입니다. 장시간 물을 분해할 수 있는 안정적인 촉매 개발이 어렵고 같은 장소에서 산소와 수소가 생산되다보니 대량 생산할 경우 안전성 문제가 불거질 수밖에 없습니다.
이스라엘 공대 - 테크니온의 아브너 로쉬차일드 (Avner Rothschild, Department of Materials Science and Engineering, Technion—Israel Institute of Technology)와 그 동료들은 독특한 디자인의 E-TAC 전기 분해 시스템을 개발했습니다. 태양 에너지를 이용해서 전기 수소 분해를 하는 굉전기화학 photoelectrochemical (PEC) 셀을 하나가 아니라 두 개로 나눠 산소와 수소가 서로 섞이지 않게 하는 것이 핵심인데, NiOOH 와 수소가 생산되는 HER (hydrogen evolution reaction) 과정과 Ni(OH)2와 산소가 생산되는 OER (oxygen evolution reaction)으로 분리해 아예 섞일 수 있는 가능성을 원천 차단한 것입니다. 다만 이 경우 양극은 수작업으로 다른 셀로 옮겨야 합니다. (개념도 참조)
이 과정이 번거롭긴 하겠지만, 니켈처럼 비싸지 않은 촉매를 사용하는데다 양극을 옮기는 과정도 사실 자동화 할 수 있고 무엇보다 안전성이 높다는 것이 무시할 수 없는 큰 장점입니다. 수소처럼 인화성과 폭발성이 강한 물질을 대량으로 생산하는 경우 가장 큰 문제는 안전성이기 때문입니다. 다만 E-TAC의 태양 - 수소 에너지 전환 효율을 7.5%로 높은 편은 아닙니다. 실제 상용화를 위해서는 효율은 높이고 가격은 낮출 필요가 있습니다, 실제로 상용화될 수 있을지는 모르겠지만, 아이디어는 나름 기발한 것 같습니다.
참고
Decoupled hydrogen and oxygen evolution by a two-step electrochemical-chemical cycle for efficient overall water splitting. Nature Energy, DOI: 10.1038/s41560-019-0462-7
Avigail Landman et al. Photoelectrochemical water splitting in separate oxygen and hydrogen cells, Nature Materials (2017). DOI: 10.1038/nmat4876
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