난양공과대학교 연구진이 태양열로 작동하는 인공 잎을 개발했는데, 이 잎은 해수에서 수소를 생산하는 동시에 산업 폐수에서 발견되는 유독성 오염물질인 하이드라진을 분해합니다.
싱가포르 난양공과대학교(NTU) 연구팀이 햇빛만을 이용해 해수에서 수소를 생산하는 인공 잎을 개발 했습니다 . 이 장치는 산업 폐수에서 발견되는 독성이 강한 화학물질인 하이드라진도 분해합니다. 따라서 청정 연료 생산과 오염 정화를 동시에 해결할 수 있습니다.
연구진은 해당 연구 결과를 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 에 발표했습니다 . NTU 재료과학공학과 리디아 H. 웡 교수가 연구팀을 이끌었습니다.
해수가 경수인 이유
대부분의 전해조는 정수된 담수를 분해합니다. 해수는 훨씬 풍부하지만 염분 때문에 문제가 발생합니다. 전류가 흐르면 염화 이온이 부식성이 강하고 독성이 있는 염소 화합물을 형성하는 경향이 있습니다.
이러한 화합물들은 전극을 부식시키고 그 자체로 폐기물 문제를 야기합니다. 결과적으로 해수에서 수소를 생산하려면 일반적으로 먼저 비용이 많이 드는 담수화 공정을 거치거나 부식에 강한 전극을 사용해야 합니다.
담수 공급은 이미 호주, 중동, 북아프리카 일부 지역을 포함한 건조한 해안 지역에 계획된 수소 허브에 대한 우려 사항입니다. 해수를 직접 사용하면 이러한 부담을 완화할 수 있습니다. 또한 국가 수소 전략을 가지고 있지만 담수 자원이 부족한 싱가포르와 같은 섬나라에도 적합한 방식입니다.
NTU의 설계는 이러한 문제점들을 상당 부분 해결합니다. 연구팀은 양극에 하이드라진을 수소와 질소로 분해하는 촉매를 장착했습니다. 동시에 이 반응은 염소 화합물의 생성을 억제합니다.
페로브스카이트 음극
연구진은 장치의 반대쪽에 납 할라이드 페로브스카이트로 음극을 제작했습니다. 이 결정질 물질은 빛을 잘 흡수하여 저렴하게 전기로 변환합니다. 지난 10년간 태양 에너지 연구 분야에서 큰 관심을 불러일으켰으며, 제조업체는 저온에서 용액 공정을 통해 이를 제조할 수 있어 비용을 절감할 수 있습니다.
여기서 페로브스카이트 광음극은 제곱센티미터당 25밀리암페어의 광전류 밀도를 달성했습니다. 광전류 밀도는 소자가 빛을 비춘 면적당 생성하는 전류량을 나타냅니다. 연구팀은 이 수치가 납 기반 페로브스카이트 음극에서 보고된 가장 높은 수치 중 하나라고 밝혔습니다.
이 장치는 맑은 날의 직사광선과 동일한 조건에서 72시간 이상 안정적인 출력을 유지했습니다. 또한, 유사한 태양열 장치와 비슷한 속도로 수소를 생산했습니다.
물을 정화하는 과정이 진행됩니다
이 나뭇잎 모양의 장치는 외부 전압 없이 작동하기 때문에 자체적으로 전력을 생산합니다. 간단히 말해, 전력망이나 배터리에서 전기를 끌어오지 않고 햇빛만으로 두 가지 반응을 모두 진행합니다. 실험 결과, 이 장치는 약 30시간 만에 하이드라진을 10억분의 1 이하로 분해했습니다. 사실상 이 장치는 실험 용액에서 오염 물질을 거의 모두 제거한 것입니다.
하이드라진은 화학 제조를 비롯한 산업 공정 및 로켓 추진제로 사용됩니다. 인체와 수생 생물에 유독하기 때문에 하이드라진이 함유된 폐수는 세심한 처리가 필요합니다. 연료 제조 과정에서 하이드라진을 제거하는 장치를 개발하면 폐기 비용을 소액의 가치 창출로 전환할 수 있을 것입니다.
혁신을 뒷받침하는 연구원. 왼쪽부터: NTU 재료과학 및 공학부의 Stener Lie 박사, Anupam Sadhu 박사, Lydia H. Wong 교수, Hao Zhe Chun 박사. 크레딧: NTU 싱가포르
규모 확장에 앞서 넘어야 할 장애물
이번 결과는 실험실 규모에 불과하며, 몇 가지 중요한 질문들이 여전히 해결되지 않은 상태입니다. 페로브스카이트는 습기, 열, 장시간 빛에 노출되면 성능이 저하되는 것으로 알려진 약점을 가지고 있습니다. 3일간의 안정적인 작동은 이 소재로서는 매우 우수한 결과이지만, 상용 시스템은 수년간 가동되어야 합니다.
납을 사용하는 것은 물속에 설치되는 장치에 대한 여러 가지 의문을 제기합니다. 엔지니어들은 해당 소재가 장기간 밀봉 상태를 유지하는지 입증해야 합니다. 또한, 소형 실험실용 셀을 대형 패널로 확장하면 일반적으로 효율이 저하됩니다.
그럼에도 불구하고, 이번 연구는 물 분해 속도를 높이는 적층형 태양광 소재를 포함하여 태양열을 이용한 직접 수소 생산 방식에 대한 새로운 접근법을 제시합니다 . 해안 산업 현장의 경우, 오염된 물을 처리하면서 해수로부터 수소를 생산하는 것은 매우 매력적인 조합입니다. 다음 단계는 이 개념이 실험실 밖의 실제 환경에서도 적용될 수 있음을 입증하는 것입니다.
