탈탄소화를 달성하려면 대규모의 안정적이고 깨끗한 에너지원을 개발해야 합니다. 화석 연료에서 벗어나는 전환의 핵심은 수소입니다. 수소는 장기간 저장할 수 있으며, 천연가스를 대체하여 터빈을 가동하거나 청정 연료 전지에 사용할 수 있습니다. 국제에너지기구(IEA)는 2050년까지 탄소 중립을 달성하려면 전 세계 총 에너지 소비량의 최소 10%를 수소로 충당해야 한다고 언급했습니다.
현재 수소 생산은 이루어지고 있지만, 미국 수소 생산량의 95%는 화석 연료를 연소하여 수소를 분리하는 방식에 의존하고 있습니다. 이는 탈탄소화에 기여하지 못하는 탄소 집약적인 공정입니다. 바로 이 때문에 재생 에너지를 사용하여 물 분자를 분해하는 청정 수소 생산이 중요합니다. 태양 에너지를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 기술은 화학 분야의 ‘성배’ 중 하나로 불리기도 합니다.
하지만 상용화를 위해 이 반응을 대규모로 구현하는 것은 여전히 과제로 남아 있습니다. 이를 위해서는 관련 소재가 매우 구체적인 특성을 갖춰야 하며, 과학자들은 수십 년간 적합한 소재를 찾기 위해 노력해 왔습니다. 최근 CAS에서 동료들과 함께 광촉매 연구 현황을 조사한 결과, CAS Content CollectionTM 데이터는 과학계가 상용화를 향해 상당한 진전을 이루고 있음을 보여줍니다.
아직 해결해야 할 중요한 과제들이 남아 있지만, 지금은 이 연구에 참여하기에 매우 흥미로운 시기입니다.
광촉매란 무엇인가?
광촉매는 일반적으로 수용액에 분산된 반도체 물질에 빛을 조사하여 전자와 정공 쌍을 형성함으로써 일어나는 화학 반응입니다. 1972년 혼다 켄이치와 후지시마 아키라가 처음 입증한 이 반응은 물속에 잠긴 이산화티타늄 전극에 빛을 비추었을 때 발생했습니다. 반응으로 생성된 정공은 주변 물 분자로부터 전자를 끌어당겨 물을 산소와 수소로 분해합니다.
이 공정을 통해 배출가스 없는 수소 생산이 가능하며, 생산된 수소는 청정 연료 및 화석 연료 대체재로 저장하여 사용할 수 있습니다. 광촉매는 다른 유형의 환경 정화, 특히 수질 정화 및 폐수 오염 물질 제거에도 유망합니다. 이미 물속의 미생물과 염료, 화학 물질과 같은 유기 오염 물질을 성공적으로 분해했습니다. 이 공정은 물이나 용액 속의 반응을 넘어 토양 내 살충제를 정화하는 데에도 활용될 수 있으며, 이는 기술적으로 중요한 진전입니다.
복잡한 인프라 없이 청정 수소를 생산하는 것은 이 공정의 가장 시급한 적용 분야라고 할 수 있습니다. 광촉매는 물에 분말을 첨가하는 방식으로 수행할 수 있어, 태양광 전해조를 이용한 기존의 무배출 수소 생산 방식보다 훨씬 간단합니다. 그 결과, 연구자들은 적합한 광촉매를 찾아 이 공정을 상용화하기 위한 노력을 가속화하고 있습니다.
광촉매 관련 최신 연구
CAS Content CollectionTM을 분석한 결과, 학술지 및 특허 문헌에서 가장 많이 언급된 개념은 광촉매 반응과 광촉매 소재 자체의 특성이었습니다. 광촉매가 화석 연료와 경제적으로 경쟁하려면 가시광선을 활용해야 하기 때문에 이는 당연한 결과입니다. 태양광의 대부분은 가시광선 영역에 속하므로, 이를 대규모 반응을 유도하는 저렴한 에너지원으로 활용해야 합니다. 구체적으로 태양광-수소(STH) 변환 효율은 최소 6~10% 이상이어야 합니다.
광촉매가 이를 달성하려면 어떤 특성이 필요할까요? 우선 전도대와 가전도대가 특정 위치에 있어야 합니다(그림 2). 이 밴드들의 위치는 전자의 이동을 가능하게 하는데, 이는 반도체의 특성이자 광촉매 반응의 필수 요소입니다. 전도대는 0볼트에서 음의 값을 가져야 하며, 가전도대는 1.23볼트 이상의 양의 값을 가져야 합니다. 광촉매의 밴드가 이러한 위치에 있지 않으면 반응에 필요한 에너지가 충분하지 않게 됩니다.
둘째, 전도대와 가전자대 사이의 간격인 밴드갭이 가시광선을 흡수할 수 있어야 합니다. 이 조건을 충족하려면 밴드갭이 1.23~3.1볼트 사이여야 합니다. 이산화티타늄은 적절한 위치에 밴드가 형성된 안정적인 물질이지만 가시광선을 흡수하지 못해 대규모 광촉매 공정에는 경제성이 떨어집니다. 이에 지난 10년간 연구자들은 다른 광촉매로 눈을 돌리고 있습니다.
그림 3에서 볼 수 있듯이 이산화티타늄 외에 가장 많이 연구되는 광촉매로는 산화아연, 질화탄소, 금속 유기 골격체(MOF) 등이 있습니다.
이들 광촉매의 공통점은 밴드갭이 3.0볼트 미만으로 가시광선을 흡수할 수 있다는 점입니다(그림 4). 하지만 이러한 특성에도 불구하고 현재 검토 중인 광촉매들은 여전히 단점을 안고 있습니다. 따라서 과학자들은 반응 효율을 높이기 위해 더 많은 대안을 모색하고 있습니다.
앞으로의 과제
분석 결과에 따르면, 집광된 태양광을 사용하는 경우를 제외하고는 현재 검토 중인 광촉매들이 STH 효율 6% 임계값에 도달하지 못한 것으로 나타났습니다(그림 4).
연구자들은 적절한 밴드 위치와 밴드갭 특성을 얻기 위해 촉매를 결합하는 방식을 시도하고 있습니다. 현재 가장 유망한 기술은 S-scheme(step-scheme) 이종접합, 즉 엇갈린 밴드 구조를 가진 두 광촉매를 결합하는 방식입니다. 이 밴드들이 결합했을 때의 위치는 전자가 광촉매 반응을 강력하고 효율적으로 수행하도록 유도하며, 이는 해당 기술의 활용 범위를 넓히는 데 중요한 진전이 될 것입니다.i
하지만 단순히 두 촉매를 결합하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 물질을 결합하면 예상치 못한 결과가 발생할 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 원하는 반응이 일어나기 전에 전자와 정공이 재결합할 수 있습니다. 연구자들은 이러한 재결합 과정을 제어하기 위해 보조 촉매를 연구하고 있습니다. 광촉매 표면에 증착되는 보조 촉매는 생성된 전하 운반체의 활용 속도를 높여줍니다. 여러 보조 촉매 물질이 연구되고 있으며, 이는 더 많은 과제가 남아 있음에도 광촉매의 미래가 밝음을 시사합니다.
수소 연료 미래의 실현
배출가스 없이 물 분자를 수소와 산소로 분리하는 것은 결코 쉬운 일이 아니며, 과학자들은 수십 년 동안 이 문제에 매달려 왔습니다. 화석 연료를 청정 수소로 대체할 만큼 경제성을 확보하기까지는 아직 상당한 진전이 필요합니다.
도전 과제는 막대하지만 극복 불가능한 것은 아닙니다. 최근 CAS Content CollectionTM 분석 결과는 광촉매에 대한 혁신적인 연구가 증가하고 있음을 입증합니다. S-scheme 구성 및 보조 촉매 사용과 같은 기술이 발전함에 따라 STH 효율의 돌파구와 기술 상용화 가능성도 함께 커질 것입니다.
지속적인 실험과 재료 과학의 발전으로 전 세계는 대규모 수소 생산이라는 약속을 달성하고 탈탄소화된 미래를 현실로 만들 수 있을 것입니다.
