[과학을읽다]독성 폐기물로 수소를 만든다

하이드라진 정화하며 태양광 수소 생산 효율 한계 넘었다

독성 산업 폐기물을 정화하면서 동시에 청정에너지인 수소를 생산하는 광전기화학(PEC) 시스템이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 수소 생산의 병목으로 꼽혀온 느린 산소발생반응(OER)을 독성 폐기물 산화 반응으로 대체해 효율을 끌어올린 것이 핵심이다.

한국연구재단은 조인선 아주대학교 교수 연구팀이 독성 산업 폐기물인 하이드라진을 선택적으로 산화시키면서, 태양광 기반 PEC 수소 생산 효율을 크게 높일 수 있는 새로운 시스템을 개발했다고 20일 밝혔다. 이 기술은 폐기물 정화와 수소 생산을 하나의 공정에서 동시에 수행할 수 있다는 점에서 주목된다.

정렬·계층 다공 구조로, Ti-도핑 헤마타이트 광전극과 하이드라진 산화 기반 PV-PEC 수소 생산 개념도. 다회 성장과 화염 어닐링 공정을 통해 (110) 결정방향이 정렬되고 계층적 다공 구조를 갖는 Ti-도핑 헤마타이트(Fe2O3) 광산화극을 구현하였으며, 이를 하이드라진 산화 반응(HzOR)과 수소 발생 반응(HER)이 결합된 PV-PEC 시스템에 적용한 개념도를 나타냄. 연구진 제공

태양광을 이용해 물에서 직접 수소를 생산하는 PEC 기술은 탄소 배출이 없는 차세대 친환경 에너지 기술로 손꼽혀 왔다. 그러나 실제 시스템에서는 산소발생반응 속도가 느리고, 광산화극 소재의 전하 이동 및 분리 특성이 낮아 효율 향상에 구조적 한계가 있었다. 특히 저비용·고안정성 소재로 주목받아 온 헤마타이트(α-Fe₂O₃)는 이러한 물성 제약으로 인해 실용화에 어려움이 컸다.

연구팀은 다회 용액 성장과 고온 화염 어닐링을 결합한 'MGFA 공정'을 개발해 결정 방향이 정렬된 계층적 다공 구조의 헤마타이트 광산화극을 구현했다. 이를 통해 전하 수송 경로를 단축하고 반응 계면을 극대화함으로써, 조촉매 없이도 물 산화 반응을 100시간 이상 안정적으로 유지하는 데 성공했다.

여기에 더해 연구팀은 PEC 시스템의 병목으로 작용하던 산소발생반응 대신, 독성이 큰 산업 폐기물 하이드라진을 빠르게 산화하는 '하이드라진 산화 반응(HzOR)'을 도입했다. 이 전략을 통해 동일 전위에서 광전류를 기존 대비 크게 향상시키며 수소 생산 효율을 제한하던 반응 장벽을 효과적으로 우회했다.

해당 광산화극을 상용 실리콘 태양전지와 결합한 무바이어스 PV-PEC 탠덤 시스템에서는 외부 전원 없이 태양광만으로 작동하는 조건에서 태양광-수소 변환효율(STH) 8.7%를 달성했다. 이는 산화철 기반 PV-PEC 시스템 가운데 최고 수준의 성과로, 저비용 소재를 활용해 환경 정화와 고효율 수소 생산을 동시에 구현할 수 있음을 입증한 결과다.

조인선 교수는 "이번 연구는 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 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구 사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 나노·마이크로 구조 재료 분야 국제학술지 Nano-Micro Letters에 지난 8일 온라인 게재됐다.

논문명은 "결정방향 정렬과 계층적 다공 구조를 갖는 Ti 도핑 헤마타이트 광산화극을 이용한 무바이어스 태양광 수소 생산(Textured and Hierarchically Porous Ti-Doped Hematite Photoanodes Enabled by Multiple Growth and Flame Annealing for Efficient Unassisted Solar Hydrogen Production)"이다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr