국내 연구진이 햇빛 (태양광에너지)*을 활용하여 물을 분해할 수 있는 신규 나노소재를 개발했다.물을 분해하면 수소**와 산소가 생산이 가능한데 수소는 차세대 에너지중 가장 청정한 에너지로 각광받고 있어 미래 인류의 에너지 문제를 해결 할 수 있는 핵심 원천 기술이 될 것으로 기대된다.

* 태양광에너지: 태양으로부터 매일 지구로 125,000 테라와트의 광에너지가 유입됨. 이는 매일 지구에 있는 전 인류가 소비하는 에너지의 약 만배에 해당하는 막대한 에너지임.

** 수소: 휘발류 및 경유와 유사하게 에너지원으로 사용이 가능하며 특히 연료전지를 활용하게 되면 환경오염 없이 전기에너지를 생산이 가능하게 됨. 현재의 수소생산은 화석연료로부터 생산되기 때문에 청정에너지원이라 볼수 없음. 

 성균관대학교 화학공학부 박종혁 교수팀 (시신건 석사과정)과 포스텍 신소재 공학과 김종규 교수팀 (최일용 박사과정)이 공동으로 주도한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(도약) 등의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)지 온라인판 9월 2일자에 게재되었다.

(논문명: Efficient photoelectrochemical hydrogen production from bismuth vanadate-decorated tungsten trioxide helix nanostructures)

 태양광을 활용하여 물분해 수소생산은 Holy grail* (중세의 전설로, 그리스도가 최후의 만찬에서 썼다는 술잔)이라 불리며 1970년대부터 연구되어 왔지만 효율이 낮아 상업화 가능성이 매우 낮았다.

* Holy grail: 지구 어디에나 있는 물을 가치가 있는 수소 에너지로 마법같이 변환한다는 뜻으로 holy grail로 불림. 

 연구팀은 텅스텐 산화물과 비스무스 바냐듐 산화물을 나노 꼬임 구조를 갖게 하는 핵심 기술로 태양광 물분해 효율을 6% 이상 올릴 수 있음을 확인하였다.

* 물분해 효율 (solar-to-hydrogen conversion efficiency): 태양광 에너지를 100으로 보았을 때 생산할 수 있는 수소의 총 에너지. 6%는 태양광 에너지의 6%에 해당하는 에너지를 수소에너지로 변환이 가능하다는 의미임.

 비스무스 바냐듐 산화물은 태양광을 잘 흡수하지만 수소생산 효율이 낮다는 단점을 가지고 있었으나 본 연구에서는 독특한 나노꼬임 구조의 텅스텐 산화물 표면에 비스무스 바냐듐 산화물을 나노미터 수준의 두께로 코팅함으로써 태양광으로부터 생성된 전자*와 정공**의 분리가 매우 효율적으로 일어나며 이로 인하여 물을 산소와 수소로 변환하는 효율을 혁신적으로 높일 수 있었다.

*: 반도체 소재가 태양광의 흡수하게 되면 소재에 따라 서로 다른 에너지를 갖는 전자(-) 및 정공(+)이 생성되게 됨. 

 특히 텅스텐 산화물의 나노꼬임 구조는 태양광의 흡수 효율을 거의 100%로 올려줌으로써 고효율의 수소 생산이 가능할 수 있다는 새로운 사실을 전세계 연구진에게 알려주는 계기가 되었다.

 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지의 경우, 생산된 전기를 바로 사용하지 않으면 사라지지만 태양광 에너지를 화학에너지인 수소로 변환하는 경우 기존의 휘발유나 LPG가스처럼 저장 및 수송이 가능하기 때문에 관련 연구가 활발해질 것으로 기대된다. 

 박종혁 교수는 “이번 연구를 통해 태양광/물을 이용하여 수소에너지 생산기술의 상업화 기회를 높일 수 있는 중요한 초석이 세워졌다”고 밝혔다.