최근 워싱턴 대학 엔지니어들은 태양빛과 나노구조체를 이용해 물에서 수소와 산소의 생산을 촉진하는 특별한 광촉매 전지(photocatalytic cell)를 개발했다. 수소발생 광촉매 시스템은 이상적인 수소 생산법이지만 그동안 수소생산 효율이 낮다는 단점이 있었다. 일반적으로 수소발생 광촉매 시스템은 전자주게(electron donor), 감광제(photosensitizer),전자매개체(electron mediator), 수소발생촉매(hydrogen evolution catalyst) 등 4가지 구성요소로 이루어진다.
이번에 개발된 전지는 최근 우수한 광전자 성질(opto-electronic properties)을 띠는 나노구조 필름(nanostructured films)을 합성할 수 있는데 세 개의 반도체 필름을 나노수준의 밀집된 구조로 샌드위치시키는 방법은 다단계가 요구되며, 제조하는데 수 시간에서 하루 정도가 소요되는 현재의 광촉매 방법보다 효율적이며 안전한 것이 특징이다.
이번 개발은 수소 생산에 대한 새로운 저비용의 효율적 수단이 제공됐으며 다양한 에너지 사용처에 이용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
한편 n형 이산화티타늄(TiO2) 매질에 p형 산화팔라듐(PdO) 나노입자를 주입하여 가시광선 흡수 특성을 가진 광촉매를 제작함으로써 박테리아 제거 및 태양 전지 효율 증가를 도출했다. 일반적으로 나노입자는 양자 크기효과로 인해 ‘청색 이동’이 나타나지만 본 연구의 경우 산화팔라듐을 조합함으로써 청색 이동을 저지해 가시광선 흡수 특성을 나타내는 광촉매가 개발될 수 있었다.
또한 이산화티타늄의 나노 구조를 제어함으로써 가시광선 응답 성능이 향상될 수 있는데 이때 구조라는 의미는 두 가지로서 원자 조성을 제어해 밴드 구조를 변화시키거나 혹은 표면 구조를 변형하여 고감도의 광촉매를 개발하는 방법을 의미한다. TiO2의 원자가 전자는 주로 산소의 2p 궤도로 이루어지며 질소 도핑에 의해 산소의 2p 궤도와 질소의 p 궤도가 혼성되어 원자가 전자가 높은 에너지 쪽으로 이동해 밴드 갭이 좁아지고 가시광선 응답이 향상될 수 있었다.
에너지, 환경 화학 공학과의 프라스팀 비스바스(Pratim Biswas) 박사와 대학원생 엘리자 팀센(Elijah Thimsen)은 최근 조절된 기체상 공정(gas phase process)을 개발했다. 이를 이용해 단일 과정으로 산화철 및 이산화 티타늄(titanium dioxide) 필름과 같은 다양한 반도체 산화물을 합성해 냈다. 이 기술은 간단하고 저렴한 불꽃 에어로졸 반응기(flame aerosol reactor (FLAR))가 기본을 이루고 있으며 공정 기체를 조절하기 위한 네 개의 질량 흐름 조절기(mass flow controllers), 전구체를 운송하기 위해 표준 거품기(standard bubbler), 버너로 이용되는 금속 튜브, 수냉 매질 홀더로 구성된다.
물에 필름을 넣으면 물을 수소와 산소로 쪼개는 반응이 촉진되는데 밀집된 구조를 형성하도록 샌드위치된 나노구조체에 이산화 티타늄, 산화 텅스텐, 산화철과 같이 어떠한 산화물도 사용될 수 있는 것이 특징이다.
수소시대로 가는 고속수단?
광촉매는 나노 기술이 접목되면서 놀라운 가능성을 예고하고 있다. 광촉매로 수소를 경제적으로 생산할 수 있기 때문이다. 다시 말해 녹색식물들이 빛을 화학에너지로 변환하는 것을 모방한 광촉매로 물 분자를 분해해서 수소를 발생시키려는 것이다. 광촉매를 이용한 수소 생산 기술은 반도체 개념을 응용한 것으로 반도체가 고온에 이르면 전기 전도도가 증가하는 것처럼 빛을 쐬면 정공과 전자가 생기면서 광반응이 일어나는데 이를 외부 회로에 연결해 전기를 얻으면 태양전지가 되고 환원과 산화 반응을 일으켜 화학에너지로 바꾸면 광촉매가 되는 것이다.
현재 물을 분해해 수소를 얻는 기술은 다양하게 존재한다. 대표적인 방법은 태양전지를 이용하는 방법으로 물분해 효율이 높은 반면 가격이 비싼 편이다. 실리콘 소재의 박막 태양전지의 경우 1980년대 초반에 비해 7분의 1로 떨어졌다 해도 W당 생산단가가 3~4달러나 된다. 이는 다른 에너지 생산 기술에 비해 3~10배나 비싼 가격이다. 미국의 유나이티드 솔라사는 3중 접합 실리콘 박막 태양전지로 에너지 효율을 15%로 끌어올렸지만 가격 문제를 크게 개선하지는 못했다. 요즘 개발되는 비정질 규소, 카드뮴텔러라이드(CdTe)·카퍼인디움다이셀레나이드CIS) 화합물 반도체 등의 박막 태양전지는 2010년 무렵에 효율을 15%대로 높여 W당 1.2달러 수준에서 거래될 것으로 예측된다.
또한 미생물 같은 생물체 내부의 시스템을 공학적으로 활용해 수소를 얻을 수도 있다. 미생물을 이용하면 상대적으로 저렴하게 수소를 얻을 수 있긴 하지만 대량생산에는 상당한 어려움이 있다.
이런 단점들을 보완할 수 있는 대안이 바로 광촉매법이다. 물에 촉매를 넣어 빛을 조사한 뒤 수소를 모으기만 하면 되는 광촉매법은 태양전지보다 저렴하고 미생물보다 많은 수소를 얻을 것으로 기대되기 때문이다.
사실 광촉매를 이용하는 방법은 매우 간단하다. 문제는 물속에서 물 분자가 햇빛에 약 4%밖에 들어 있지 않은 자외선에 의해서만 분해된다는 데 있다. 물 분해 효율을 높이는 데 초점을 맞추고 있는 연구자들은 넓은 흡수 파장을 가진 높은 활성의 광촉매를 개발하려고 한다.
최근에는 광촉매와 생물학적 방법을 융합하는 방법이 주목받고 있는데 햇빛을 흡수하고 전자쌍을 생성하는 것은 광촉매가 맡고 수소이온 환경은 바이오 촉매가 맡도록 하는 것이다. 이렇게 하면 물 분해 효율이 27% 수준까지 향상되는 것으로 나타났다. 물론 아직까지는 실험실 수준으로서 상용화까지는 미지수이지만 시너지 효과가 클 것으로 기대를 모으고 있다.
앞서 기술한 대로 그동안 탈취나 항균 작용 등 유기물 분해 작용으로 관심을 모았던 광촉매이지만 태양광 에너지의 수소연료 변환 효율이 높아지면서 가격 경쟁력도 극복될 조짐을 보이고 있다. 이런 가운데 수소에너지 연구에서 광촉매가 차지하는 비중도 갈수록 높아지고 있다.
현대사회가 수소시대 진입으로의 과도기에 서있는 가운데 광촉매는 없어서는 안 될 중요한 기술임에는 틀림없어 보인다. 하지만 무엇보다도 광촉매에 대한 활용성에 대한 맹목적 기대를 벗어나 일본을 비롯한 외국기업에 뒤처지지 않는 원료 및 기술개발이 중요한 시점이다.
