태양광 ‘인공 잎’, 바닷물로 수소 생산하고 독성 하이드라진 분해

싱가포르 난양공과대학교(NTU) 연구진이 바닷물에서 수소를 생산하는 동시에 산업 폐수의 매우 독성이 강한 오염 물질인 하이드라진을 분해하는 태양광 구동 장치를 만들었다. 이 연구는 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 자세히 실렸다.

연구팀은 이 개념 증명 설계를 ‘인공 잎’이라고 부른다. 소형 태양전지, 전해조, 폐수 처리 시스템을 하나의 장치에 결합한 것이다. 햇빛으로 화학 반응을 일으키는 실제 잎에서 영감을 얻었다.

하나의 장치로 두 가지 문제 해결

시험에서 이 장치는 72시간 넘게 안정적으로 작동했고 시간당 제곱센티미터당 466마이크로몰의 속도로 수소를 생산했다. 별도의 실험에서는 더 큰 버전이 오염된 물속 하이드라진 농도를 0.5몰 농도(중량 기준 약 1.6%)에서 약 30시간 만에 10억분율 0.5로 낮췄다. 이는 연구진이 인용한 미국 환경보호청의 한계치인 10억분율 10보다 20배 넘게 낮은 수준이다.

“이 이중 기능 장치는 환경 기술의 큰 도약입니다.” 연구진 중 한 명인 리디아 웡 교수는 이렇게 말했다. “태양에너지를 효율적으로 활용해 독성 산업 오염 물질을 분해하는 동시에 청정 연료를 얻음으로써 에너지 문제와 오염 문제를 함께 해결하고 있습니다.”

화학 반응의 원리

전기분해는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분리한다. 수소는 음극(캐소드)에서, 산소는 양극(애노드)에서 생성된다. 산소는 대개 그냥 방출되기 때문에 ‘폐기물’ 생산에 많은 에너지가 들어간다. 바닷물은 풍부하다는 점에서 원료로 매력적이지만, 염화물이 전극을 부식시키고 독성 염소 화합물을 만드는 반응을 일으킬 수 있다.

NTU 연구팀은 애노드에서의 산소 생성을 하이드라진 분해로 대체했다. 특수 촉매가 하이드라진을 질소 가스로 바꾸고 추가 수소도 만들어 낸다. 하이드라진을 분해하는 데는 산소를 만드는 것보다 훨씬 적은 에너지가 들기 때문에 캐소드에서의 수소 생산이 더 에너지 효율적이 된다. 촉매에는 철, 코발트, 크롬이 들어 있어 부식에 강하며 독성 염소 화합물을 억제하는 데 도움이 된다.

스스로 전력을 공급하는 페로브스카이트 캐소드

캐소드는 빛을 흡수해 전기로 바꾸는 반도체인 납 할라이드 페로브스카이트로 만들어졌다. 덕분에 장치는 외부 전원 없이 작동할 수 있다. 페로브스카이트는 습기와 가혹한 화학 물질에 취약하므로, 연구진은 은과 구리 입자가 들어 있는 전도성 에폭시 층과 물은 막고 전하는 통과시키는 티타늄 포일로 이를 보호했다. 티타늄에는 수소 생성을 돕기 위해 얇은 백금 층을 입혔다.

시험 조건과 결과

장치는 하이드라진을 첨가한 모의 바닷물과 실제 바닷물의 알칼리성 용액에 넣고, 맑은 날의 햇빛 세기와 같은 인공 조명 아래에서 시험했다. 두 경우 모두 외부 전기 없이 제곱센티미터당 약 25밀리암페어의 광전류 밀도를 냈으며, 이는 납 기반 페로브스카이트 광캐소드에서 보고된 값 중 가장 높은 수준에 속한다. 하이드라진 시험에서는 연구팀이 광캐소드를 0.56제곱센티미터에서 6.25제곱센티미터로 키웠다. 또한 자연 햇빛 아래 야외에서도 잎을 가동해 수소와 질소 기포가 생기는 것을 확인했으며, 이는 실험실 조명 밖에서도 작동할 수 있음을 보여 준다.

이 결과는 상업 시스템이 아니라 실험실 시제품에서 나온 것이다. 더 자세한 내용은 기술 섹션에서 확인하세요.