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미래 에너지 유망주, 수소 연료의 발전

9월 18 업데이트됨

화석 연료 사용으로 인해 환경 오염이 가속화되면서, 지구 곳곳에서 이상 기후 현상이 발생하고 있다. 실제로 2019년 초, 미국에는 체감 온도 영하 50도의 살인적인 한파가, 같은 시간에 호주에는 영상 46도를 웃도는 최악의 폭염이 들이닥쳤다고 한다. 환경파괴로 인한 몸살로 지구 곳곳에 사상 초유의 극단적 이상 기후가 일어나고 있는 것이다. 점점 환경 문제가 심각해지면서, 세계 여러 국가들에서는 화석 연료를 대신해 사용할 수 있는 미래 에너지원의 개발의 필요성을 느끼고 있고 연구에 총력을 가하고 있다. 그 중에서도 전 세계가 주목하고 있는 수소 에너지가 무엇인지, 그리고 수소 에너지가 어떤 발전을 이뤄나가고 있는지 알아보자.


수소 에너지는 한 마디로 설명하자면 수소 형태로 에너지를 저장하고 사용하는 에너지원이다. 수소를 생산해 고압가스, 액체수소, 금속수소화물의 형태로 저장하고, 이를 연료 전지, 수소저장합금에 의한 2차전지, 수소화 반응에 의한 히트 펌프와 같은 곳에 사용해 에너지를 생산하는 식이다. 수소는 우주 질량의 75%나 되는 양을 차지한다는 점에서 한정된 자원인 화석연료와 차이점을 가진다. 또, 연소 시에 극소량의 질소와 물만 생성되고 연소 후에도 산소와 결합하여 물로 변해 무제한 활용이 가능할뿐더러, 공해물질이 발생하지 않기에 환경오염을 걱정할 필요가 없는 친환경적 에너지원이다.


수소 에너지는 주로 수소 연료 전지(hydrogen fuel cell)을 써서 사용한다. 간단히 말하자면 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 전기 에너지를 만드는 방법인데, 그 작동 원리를 조금 더 세부적으로 살펴보자!


음극에서 수소가 수소 이온이 되는 산화 반응이 일어나면서 전자를 내놓으면 전자가 회로를 통해, 수소 이온은 음극과 양극 사이의 전해질을 통해 양극으로 이동하여 전류가 흐르게 된다. 양극에서는 산소가 수소 이온과 반응해 물이 생성된다. 즉, 수소와 산소가 주입되면 전기에너지와 함께 물이 생산되는 식이다. 에너지 효율이 높은 데다가 그 과정에서 알 수 있듯이 친환경적인 에너지원이지만 아직까지 화석연료만큼 널리 보편화되지 못한 이유가 있다. 수소 연료 전지의 연료인 수소 생산의 어려움, 그리고 수소 저장에서 발생하는 안정성 문제가 바로 그것이다. 세계의 여러 과학자들은 이러한 수소 에너지의 한계를 극복하기 위해 연구를 진행 중이다. 어떤 방면에서 수소 에너지가 진보해나가고 있는지, 몇 가지 연구 사례들을 살펴보도록 하자.


기존 수소 연료 생산은 정수에서 이루어졌지만, 세계 여러 나라에서 물 부족 현상과 가뭄 현상이 일어나고 있고 정수를 활용한 연료 생산은 값비싸기에 풍부한 자원인 ‘바닷물’에서 연료를 생산하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.


바닷물을 이용한 연료 생산에 어려움이 있었던 이유는 양극이 음전하를 띠는 염소 이온을 끌어당겨 금속이 쉽게 부식되었기 때문이다. 2019년, 스탠포드의 과학자들은 양극을 음전하를 띤 물질로 코팅을 하는 방법을 사용해 이 문제를 해결했다. 그들은 니켈 폼 코어(NiRe/NiSx-Ni)를 덮는 황화 니켈 위에 니켈-철 수산화물 층을 만들었다. 니켈 폼은 전원에서 전기를 전달하는 도체 역할을 하고, 니켈-철 수산화물은 전기 분해를 일으켜 물을 산소와 수소로 분리한다. 전기 분해 중에는 황화 니켈이 양극을 보호하는 음전하 층으로 바뀌어, 음전하를 띠는 염소 이온을 밀어내 니켈 폼 코어 금속에 도달하지 못하게 한다.


Dai 실험실의 대학원생이자 논문의 공동 저자, Michael Kenney에 따르면, 음으로 대전된 황화 니켈 코팅이 없으면 양극은 쉽게 부식되고 전극이 무너져 내려 해수에서 약 12​​시간 동안만 작동한다고 한다. 그러나 이 황화 니켈 층을 사용하면 해수 속에서도 천 시간 이상 작동 가능하다. 과거 바닷물을 분리해 수소 연료를 얻는 연구에서는 높은 전류에서 더 쉽게 부식이 발생해 적은 양의 전류로만 연료 생산이 가능했지만, 이 다층 장치를 사용하면 10배나 많은 전기를 공급할 수 있고, 이는 해수에서 수소 연료 생산 속도를 향상하는 데에 큰 도움이 된다. 즉 해수를 이용한 기존 연구들과 다르게, 오늘날 정수를 이용한 수소 연료 생산 산업에서와 동일한 전류에서 작동 가능하다는 것이 큰 특징이다. 팀원들은 통제된 실험실에서뿐만 아니라, 샌프란시스코 만에서 수집한 해수에서 수소와 산소를 생성하는 태양열 동력 시연기를 설계하는 데에도 성공했다. 해수는 지구에서 가장 풍부한 자원이기에, 해수에서 수소 연료의 생산 효율이 향상되었다는 소식에 많은 기대가 쏠리고 있는 상황이다.


UCF(University of Central Florida)에서도 빛 에너지로 화학 반응을 촉진시키는 광촉매를 이용하여 해수에서 수소를 더 효율적으로 추출하는 방법이 개발되었다. UCF의 나노 과학 기술 센터와 재료 공학부의 공동 조교수 Yang Yang은 개발한 MoS2@TiO2촉매가 빛의 대역폭을 UV-vis에서 NIR까지 크게 늘려 기존보다 더 많은 태양에너지를 빛으로부터 흡수할 수 있다고 발표했다.



개발된 광촉매는 하이브리드 재료인데, 이산화 티타늄의 초박막 표면에 초소형 나노 캐비티가 화학적으로 에칭된 가장 일반적인 광촉매에서 나노 캐비티를 단일 원자의 두께를 가지는 2차원 물질인 이황화 몰리브덴의 나노 플레이크로 코팅시키는 방법을 사용해 더 넓은 대역폭의 빛을 흡수할 수 있게 한 것이다.

한편 Chemistry Europe에는 크세논 램프의 빛, 물과 메탄올 용액 , α-FeOOH 라는 특정 유형의 녹만을 사용하여 수소 연료를 효율적으로 생산할 수 있는 방법이 게재되었다. 기존 이산화 티타늄 촉매를 사용하는 기술보다 25배나 많은 수소를 생성할 수 있는 방법이다. 수소 연료의 생산에서 가장 중요한 과제는 수소 원자를 다른 분자와 분리된 상태로 유지하는 것이다. 새로 개발된 방법에서는 티타늄 촉매의 티타늄을 녹으로 교체하여 생성된 수소 가스가 산소와 결합하지 못해, 원소들의 분리가 쉬워지고 폭발 위험도 감소한다. 기존 수소 연료가 보편적으로 사용되지 못했던 이유인 수소의 가연성 문제까지 해결해줄 수 있다는 것이다. α-FeOOH는 수소 생성을 위해 촉매로 사용되는 다른 금속들보다 일반적이고 저렴하며, 안정적일 뿐만 아니라 기존 수소를 분리하는 기술이 많은 에너지를 소비했던 것과 반해 적은 양의 에너지로도 수소 분리가 가능해 많은 관심을 받고 있다.


이렇게 수소 연료 전지와 관련하여 연료가 되는 수소의 공급 방법, 연료 전지의 촉매 등 다양한 분야에서 연구가 이루어져 많은 성과들이 나타나고 있다. 이러한 최신 연구들은 수소 연료 전지에 있어서 에너지적으로 상당한 발전이 이루어졌음을 보여주지만, 앞으로 수소 에너지가 상용화되어 화석 연료 사용을 줄이는 효과를 불러일으키기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.


우리나라의 경우 석유나 천연가스의 해외 의존도가 세계 최고 수준이다. 매장된 광물 자원도 많지 않기에 수소 에너지와 같이 지속 가능한 자원을 활용한 신재생에너지원의 개발에 집중하려는 노력이 더 필요할 것이다.

참고자료

[1] https://m.post.naver.com/

[2] https://terms.naver.com/

[3] http://study.zum.com/

[4] https://news.stanford.edu/

[5] https://www.ucf.edu/

[6] https://www.sciencealert.com/


첨부 이미지 출처

[1] http://study.zum.com/

[2] https://www.pnas.org/

[3] https://www.ucf.edu/

KOSMOS CHEMISTRY 지식더하기

작성자│김연성

발행호│2020년 봄호

키워드#수소연료



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