태양광으로 그린 수소 생산 가능한 새로운 구조의 비금속 광촉매 개발

가시광선에 감응하는 질화 탄소 기반 친환경 광촉매 제시

□ 태양광의 대부분을 차지하는 가시광선에 감응하여 탄소 배출 없이 그린 수소를 생산할 수 있는 비금속, 친환경 질화 탄소(carbon nitride) 광촉매가 국내 연구진에 의해 개발되었다.

※ 질화 탄소(carbon nitride) : 탄소와 질소의 교대배열로 이루어진 3차원 반도체 소재

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 박성진, 김정호 교수(인하대학교) 연구팀이 그린 수소를 생산할 수 있는 새로운 구조의 고효율 질화 탄소 광촉매를 개발하고, 촉매 성능과 질화 탄소 물질 구조간의 상관관계를 분자 수준에서 규명하였다고 밝혔다.

□ 최근 환경오염과 전 세계 에너지 고갈의 문제를 해결할 수 있는 유망한 기술 중 하나로 태양에너지를 이용, 물을 분해하여 그린 수소를 생산하는 수소 생산 반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER)이 큰 관심을 받고 있다.

○ 하지만, 그린 수소에 대한 높은 관심에도 불구하고 촉매 효율이 제한적이라는 기술적 한계가 있고, 기존에 우수한 성능을 보인 광촉매들은 대부분 금속을 함유하는 물질로써 환경오염을 유발할 수 있기 때문에 비금속 기반의 고성능 광촉매 개발이 중요하다.

□ 이에 연구팀은 가시광선을 흡수하기에 적합한 ‘밴드 구조’를 가지며 무독성, 저비용 등의 장점을 지닌 비금속 기반의 질화 탄소물에 집중하였다.

○ 이는 차세대 광촉매 물질로 각광받고 있으나, 기존 방식으로 제조된 질화 탄소물에서는 2차원 연결구조 내 수소 결합들이 다수 존재하여 태양광에 의해 생성된 전하 운반자의 원활한 이동을 막아 광촉매 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

□ 연구팀은 질화 탄소 소재의 생성 과정에서 물과 수증기를 첨가하는 친환경적인 방법을 이용, 수소 결합은 감소하고 전자 이동성은 향상된 질화 탄소 기반 광촉매를 개발하였다.

○ 이는 물을 사용하지 않고 만든 기존 질화 탄소 광촉매 보다 약 12배 뛰어난 수소 생산 광촉매 성능을 발휘하였고 높은 안정성과 내구성을 나타냈다.

○ 또한, 분자 수준에서 수소 결합 감소, 결정성 증가 등을 보여 촉매 성능이 향상되는 것을 확인하였다.

□ 다만, 그린 수소 생산의 상업화를 위해서는 촉매 성능의 극대화, 고효율 촉매의 대량 생산법 개발, 촉매 물질의 저독성, 친환경성 검증 등의 추가 연구가 필요하다는 설명이다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견후속연구)등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)’에 3월 12일 온라인 게재되었다.