에너지시스템학과

우리 학교 박은덕 교수팀이 낮은 전력으로 수소를 생산할 수 있는 하이브리드 수소 생산 시스템을 개발했다. 

박은덕 교수팀의 이번 연구 성과는 ‘수소 생산을 위한 Pt-Ru WO3 광촉매 보조 전기분해 하이브리드 셀(Pt-Ru decorated WO3-based photocatalyst-assisted electrolysis hybrid cell for hydrogen production)’이라는 제목의 논문으로 <어플라이드 서페이스 사이언스(Applied Surface Science)> 11월호에 실렸다. 

아주대 박은덕 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과)와 주오심 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터 책임연구원이 교신저자로 참여했고, 채상윤 아주대 차세대에너지과학연구소 박사후연구원과 윤노영 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터 석사과정생이 제1저자로 함께 했다.    

수소는 연소 되면서 물만을 배출해 기존의 화석연료처럼 이산화탄소(CO₂)를 배출하지 않는 이상적 청정 에너지원이다. 하지만 현재의 수소 생산 공정은 수증기 개질 반응 등 화석연료를 기반으로 하고 있어, 수소를 생산하면서 여전히 대량의 이산화탄소를 배출한다는 한계가 있다. 이에 태양광 같은 재생 가능 에너지를 활용해 이산화탄소 배출 없이 수소를 경제적으로 생산할 수 있는 기술의 개발이 필수적이다.

물을 전기분해하여 수소를 생산하려면, 최소 1.23V 이상의 전압이 요구되나 실제로는 전기화학 촉매의 과전압 때문에 더 높은 에너지가 필요하다. 이는 전기분해 효율 저하의 주요 요인 중 하나이며, 태양광 에너지를 추가적으로 활용하면 전기분해에 필요한 에너지를 절약할 수 있다. 

기존 태양광 기반 수소 생산 기술로는 광촉매 또는 광전기화학 전지가 있으나, 기술 수준이 아직 높지 않아 기존 수전해 기술에 비해 상용화까지는 많은 개선이 필요하다. 또 태양광 에너지는 일조량의 변동성 탓에 안정적인 수소 생산을 위해서는 추가로 에너지 저장 시스템(EES)이 필수적으로 요구된다. 

아주대 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 광촉매 시스템과 수전해 시스템을 결합, 새로운 개념의 수소생산 시스템을 설계했다. 이 시스템은 광촉매가 분산된 수용액과 전극으로 구성된 일체형 전지로, 철(Fe²⁺/Fe³⁺) 산화환원 쌍을 전자 전달 매개체로 활용해 두 시스템을 전기화학적으로 연결했다. 연구팀은 이 시스템에 필요한 광촉매로 산화텅스텐(WO₃)을 활용했고, 광촉매의 활성을 높이기 위해 백금과 루테늄이 혼합된 나노입자를 산화텅스텐(WO₃)에 도입해 광촉매의 활성을 대폭 개선했다.   

이 새로운 시스템을 활용하면 광촉매가 물분해를 통해 산소를 발생시키면서 동시에 철이온을 환원시키고, 야간에는 환원된 철 이온에 저장된 태양광 에너지를 활용해 저전력 전기분해로 수소를 생산한다. 연구진은 실험실 수준의 소규모 장치를 넘어 약 120cm² 면적의 대형 반응 장치를 설계하고, 이를 야외에서 실제로 구동해 자연광으로 안정적인 수소생산이 가능함을 확인했다.

연구팀은 또한 주간에 광촉매가 태양광 에너지를 화학적으로 저장, 추가적인 에너지 저장 장치 없이도 일조량 변화와 관계없이 안정적으로 수소를 생산할 수 있음을 입증했다. 이 시스템에서는 전기화학적 물 산화 반응을 철 이온 산화 반응으로 대체해 약 0.8V의 낮은 전압으로도 수소를 안정적으로 생산할 수 있었다. 특히 기존 단순 전기분해 시스템에 비해 전력을 최대 70% 절약할 수 있다.  

박은덕 교수는 “이번에 개발한 하이브리드 시스템으로 수소 생산에 있어 전력 사용을 최적화하고 태양광 에너지 활용을 극대화할 수 있다”며 “수소 인프라가 필요하거나 전력 비용이 높은 환경에서 특히 유용하게 활용될 수 있을 것으로 보이며, 앞으로 추가 연구를 통해 효과적 그린 수소 생산에 도움이 될 것으로 기대한다”라고 설명했다. 

* 위 사진 설명 :  (왼쪽 위)수소 생산을 위한 하이브리드 시스템의 개략도 (오른쪽 위)자연광에서의 대면적 광촉매-전기분해 하이브리드 시스템의 구동모습 (아래) 4일간 자연광 하의 일조량 및 수소생산 전류 결과