독성폐기물 처리하며 친환경 수소 고효율 생산…"일석이조"

아주대학교, 하이드라진 산화반응 적용한 광전기화학 시스템 개발

독성 산업 폐기물을 정화도 하면서 청정에너지인 수소를 고효율로 얻을 수 있는 혁신 기술이 개발됐다.

한국연구재단은 아주대학교 조인선 교수 연구팀이 독성 산업 폐기물인 하이드라진을 선택적으로 산화(정화)시키면서 동시에 태양광 기반 수소 생산 효율을 크게 높일 수 있는 광전기화학(PEC) 시스템을 개발했다고 20일 밝혔다.

티타늄(Ti)-도핑 헤마타이트 광전극과 하이드라진 산화 기반 PV-PEC 수소 생산 개념도. 연구진은 이를 통해 전하 이동과 반응 계면을 동시에 향상시켜, 독성 하이드라진을 무해한 질소로 전환하면서 높은 태양광-수소 변환효율을 달성했다.

하이드라진은 무색 휘발성 독성 화학물질이다. 주로 정밀화학 전구체/발포제·폴리머 제조에 가장 많이 쓰이고, 보일러 수질 처리·탈산소제나 발사체 추진제로도 많이 활용된다.

누리호 발사체에도 들어가면서 널리 알려졌다. 연료인 케로신과 함께 자세제어용으로 많이 쓴다.

PEC는 반도체 전극에 빛을 쪼여 전기화학 반응을 일으키고, 물에서 수소를 생산하는 기술이다.그러나 이 기술은 느린 산소 발생 반응과 광산화극 소재의 물성 한계로 인해 효율 향상이 매우 제한적이었다.

특히, 광산화극 소재로 헤마타이트(산화철)가 가격이 저렴하고 화학적으로 안정적이며 대면적 적용이 가능해 유망한 반도체 소재로 평가되어 왔으나, 전하 이동 및 분리 특성이 매우 낮아 광전류와 수소 생산 효율이 나오지 않는 단점이 있어 실용화는 어려웠다.

연구팀은 기존 광산화극 소재 한계를 극복하기 위해 다회 용액 성장과 고온 화염 어닐링을 결합한 MGFA 공정을 개발해 결정 방향이 정렬된 계층적 다공 구조를 갖는 독특한 헤마타이트 광산화극을 구현하는데 성공했다.

다회 용액 성장은 소재를 얇게 여러 번 겹쳐 쌓아 층간 성장 방향을 다르게 제어할 수 있게하는 기술이다. 또 고온 화염 어닐링은 아주 뜨거운 불꽃으로 형상변형 없이 순식간에 구워내는 고온 열처리 방법이다.

연구팀이 개발한 MGFA 공정은 여러 번 나누어 구조를 쌓고, 불꽃으로 구워 성능을 극대화하는 방식이다.

이렇게 개발한 광산화극은 안정적인 물 산화 반응을 100시간 이상 유지했다.

PEC를 개발한 연구진. 왼쪽부터 아주대 조인선 교수, 미국 스탠퍼드대 샹올린 젱 교수, 아주대 런파 탄 박사.(사진=아주대학교)

연구팀은 느린 산화 반응을 해결하기 위해 하이드라진 폐기물을 산화 반응 연료로 활용하는 전략을 도입, 수소 생산 효율을 제한하던 반응 장벽을 효과적으로 우회하며 기존 대비 비약적으로 상승한 광전류 값을 확보하는 데 성공했다.

이 광산화극을 상용 태양전지와 결합한 결과, 외부 전원 없이 오직 태양광만으로 작동하는 시스템에서 산화철 기반 역대 최고 수준인 8.7%의 수소 변환 효율을 달성했다.

조인선 교수는 “독성 폐기물을 에너지원으로 전환하면서 동시에 수소를 생산할 수 있음을 보여준 사례”라며, “환경 정화와 청정에너지 생산을 하나의 시스템에서 동시에 달성할 수 있는 새로운 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 나노·마이크로 구조 재료 분야 국제학술지인 나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)에 지난 8일 온라인으로 실렸다.