수소 생산 효율 극대화를 위한 이산화티타늄 보호막의 산소 결함 역할 탐구

2023년 5월 29일

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국립과학기술연구회

수소는 깨끗하고 효율적인 에너지원으로 주목받고 있습니다. 그런데 수소는 정말 환경친화적인가? 현재 일반적으로 사용되는 대부분의 수소는 화석 연료에서 파생된 회색수소입니다. 생산과정에서 온실가스 발생이 수반되기 때문에 엄밀한 의미에서 회색수소는 친환경적이지 않다고 할 수 있다. 탄소배출 없는 그린수소 시대는 아직 시작되지 않았습니다.

한국표준과학연구원(KRISS)이 태양 에너지를 사용해 물 분해를 통해 수소를 생산하는 데 사용되는 보호막이 있는 광양극의 수명과 효율성에 대한 열쇠를 입증했습니다. 이를 통해 친환경 그린수소 시대가 도래할 것으로 기대된다.

그린수소는 재생에너지원을 활용해 탄소배출 없이 생산된다. 녹색수소를 생산하는 대표적인 방법은 전해질에 직접 담그고 햇빛을 흡수할 수 있는 광양극을 이용한 광전기화학적 물분해법이다. 결과적으로 광양극은 흡수된 태양 에너지를 사용하여 접촉된 물을 수소와 산소로 직접 분리합니다. 그러나 광양극은 전해질과 직접 접촉하기 때문에 표면 부식이 발생하기 쉽습니다. 표면 부식을 방지하기 위해 표면 보호 코팅이 표면에 증착되었습니다.

일반적으로 이산화티타늄(TiO2)과 같은 산화물 물질은 광양극용 보호막으로 사용됩니다. 산화물 물질은 전기 전도성이 좋지 않지만 전하 수송 채널 역할을 하는 산소 결함이 형성되면 전도성이 조절될 수 있습니다. 광양극 수명 연장의 핵심은 전극 부식을 방지할 수 있을 만큼 내구성이 뛰어나고 최적의 전기 전도성을 유지할 수 있는 보호막을 개발하는 것입니다.

KRISS는 수소 생산 효율을 극대화하기 위해 광양극의 이산화티타늄(TiO2) 보호막의 산소 결함 수준을 체계적으로 조절하는 기술을 세계 최초로 개발했습니다. 연구팀은 전하 이동 메커니즘에서 산소 결함의 역할을 규명하기 위해 X선 광전자 분광법과 전기화학적 분석을 이용해 광양극 수명과 수소 생산을 극대화하는 최적의 결함 수준을 파악했다.

기존 연구들이 보호필름 제조 과정에서 자연적으로 형성된 산소 결함에 의존했던 것과 달리, 이번 연구에서는 산소 결함 수준을 조절해 대량 생산이 가능한 직접적인 생산 방식을 제안한다.

실험 결과에 따르면, 보호막이 없는 광양극은 1시간 이내에 급격한 수명 저하를 보여 수소 생산 효율이 초기 상태에 비해 20% 이하로 떨어지는 것으로 나타났다. 반면, 보호막이 최적화된 광양극은 100시간 후에도 85% 이상의 수소 생산 효율을 유지했다.