사탕수수에서 그린 수소 만든다

[아이뉴스24 정종오 기자] 사탕수수 찌꺼기와 햇빛으로 수소를 생산하는 기술이 개발됐다.

울산과학연구원(UNIST) 에너지화학공학과 장지욱·서관용 교수팀은 신소재공학과 조승호 교수팀과 함께 사탕수수 찌꺼기에서 나온 바이오매스와 실리콘 광전극으로 수소를 생산할 수 있는 기술을 개발했다.

이 기술은 외부 전력 없이 오직 햇빛만으로 수소를 생산하며 수소 생산 속도는 미국 에너지부가 제시한 상용화 기준의 4배에 달한다.

수소는 연소할 때 온실가스를 배출하지 않는다. 무게당 저장할 수 있는 에너지가 휘발유의 2.7배 달하는 차세대 연료다. 현재 생산되는 수소 대부분은 천연가스에서 추출되며 이 과정에 이산화탄소가 많이 발생한다.

연구팀은 사탕수수 찌꺼기에서 나온 푸르푸랄(Furfural)을 이용해 이산화탄소 배출 없는 수소 생산 광전기화학시스템을 개발했다. 푸르푸랄이 구리전극에서 산화되면서 수소가 나오고 남은 물질은 고부가가치 물질인 푸로산(furoic acid)으로 바뀐다.

이 시스템은 양쪽 전극 모두에서 수소가 생산된다. 반대쪽 전극인 실리콘 광전극에서도 물이 분해돼 수소가 생산된다. 이 덕분에 일반적 광전기화학시스템보다 이론적으로 생산 속도가 2배 올라갈 수 있다.

이 시스템에서 수소 생산은 광전극이 햇빛을 흡수해 전자를 만드는 것부터 시작된다. 결정질 실리콘 광전극은 많은 전자를 만들 수 있어 수소 생산에 유리한데 생성되는 전압은 낮아 외부 전원 없이는 단독으로 수소 생산 반응을 일으키기 어려웠다.

연구팀은 반대쪽에서 푸르푸랄이 산화되는 반응을 일으켜 시스템의 전압 균형을 맞춤으로써 이 같은 문제를 해결했다. 결정질 실리콘 광전극 소재의 장점인 높은 광전류 밀도는 그대로 유지하면서 전체 시스템의 전압 부담은 줄여 외부 전력 없이도 수소가 생산되도록 한 것이다.

장지욱 교수는 “이번 기술은 태양광 기반 수소 생산 속도가 미국 에너지부의 상용화 기준보다 4배 높아, 태양광 수소의 경제성을 높이고 화석연료 기반 수소 대배 가격 경쟁력을 확보하는 데 중요한 역할을 할 수 있다”고 말했다.

이번 연구 결과(논문명: Coupling furfural oxidation for bias-free hydrogen production using crystalline silicon photoelectrodes)는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 3월 19일 자로 실렸다.