사탕수수 찌꺼기로 수소를 생산하는 기술이 개발됐다.
울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 장지욱·서관용 교수팀이 신소재공학과 조승호 교수팀과 함께 사탕수수 찌꺼기에서 나온 바이오매스와 실리콘 광전극으로 수소를 생산할 수 있는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
이 기술은 외부 전력 없이 오직 햇빛만으로 수소를 생산하며, 수소 생산 속도는 미국 에너지부가 제시한 상용화 기준의 4배에 달한다.
수소는 연소 시 온실가스를 배출하지 않는다. 무게당 저장할 수 있는 에너지가 휘발유의 2.7배 달하는 차세대 연료다. 하지만 현재 생산되는 수소 대부분은 천연가스에서 추출되며 이 과정에 이산화탄소가 많이 발생한다.
연구팀은 사탕수수 찌꺼기에서 나온 푸르푸랄(Furfural)을 이용해 이산화탄소 배출 없는 수소 생산 광전기화학시스템을 개발했다. 푸르푸랄이 구리전극에서 산화되면서 수소가 나오고 남은 물질은 고부가가치 물질인 푸로산(furoic acid)으로 바뀐다.
이 시스템은 양쪽 전극 모두에서 수소가 생산된다. 반대쪽 전극인 실리콘 광전극에서도 물이 분해돼 수소가 생산된다.
이 시스템에서 수소 생산은 광전극이 햇빛을 흡수해 전자를 만드는 것부터 시작된다. 결정질 실리콘 광전극은 많은 전자를 만들 수 있어 수소 생산에 유리하지만 생성되는 전압은 낮아 외부 전원 없이는 단독으로 수소 생산 반응을 일으키기 어려웠다.
연구팀은 반대쪽에서 푸르푸랄이 산화되는 반응을 일으켜 시스템의 전압 균형을 맞춤으로써 이 같은 문제를 해결했다.
실리콘 광전극이 물속에 잠긴 구조는 자체 냉각 효과를 제공해 외부 연동형 구조보다 효율과 안정성 측면에서 유리하다는 점도 이번 연구에서 파악됐다.
장지욱 교수는 “이번 기술은 태양광 기반 수소 생산 속도가 미국 에너지부의 상용화 기준보다 4배 높아, 태양광 수소의 경제성을 높이고 화석연료 기반 수소 대배 가격 경쟁력을 확보하는 데 중요한 역할을 할 수 있다”고 밝혔다.
이 연구는 세계적 과학 저널인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 지난 19일자로 게재됐다.
울산=조원일 기자 wcho@kmib.co.kr
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