수소는 미래의 에너지 시스템의 핵심요소로 주목받고 있다. 전기 저장과 운송에 사용되는 수소는 트럭과 선박 추진 시스템을 기후 친화적으로 전환하거나, 산업 공정에서 천연가스 대체제로 사용될 수 있다. 

전기분해를 통해 친환경적인 방식으로 수소를 생산하는 데 사용할 수 있지만 먼저 친환경 전기 확보가 필수적이다. 광촉매에서는 햇빛을 이용해 직접 물을 수소로 전환하기도 한다.

독일 기술 전문 매체 퓨처 존에 따르면 비엔나 공과대학교는 광촉매를 활용해 물을 수소로 직접 전환해 수소를 저렴하게 생산하는 새로운 솔루션을 개발했다.

광촉매의 효율과 비용은 사용되는촉매의 재료에 따라 달라진다. 특히 금속-유기 프레임워크(MOF)는 효과적인 촉매로서의 가능성이 확인됐다. 이 MOF는 넓은 범위의 태양광을 효율적으로 활용하는 데 탁월하다.

티타늄 와플

재료화학연구소의 도미니크 에더 교수가 이끄는 비엔나 공과대학교 연구팀은 티타늄과 탄소층으로 구성된 MOF를 개발했다. 이 물질은 특히 효율적으로 물을 수소로 전환할 수 있다.

이 개발 연구의 제1저자인 파블로 아얄라는 "전자 현미경으로 MOF를 보면 마치 매너 섹션(manner section)처럼 보인다"고 말했다. 그는 "즉, 와플은 금속(티타늄)이고 층을 서로 접착하는 초콜릿 처럼 보이는 것은 유기 부분(탄소)"이라고 설명했다.

나노 컷, 전자 현미경으로 관찰

여기에서 '나노 컷(cuts)'은 길쭉하지 않고 입방체 모양이며 너무 작아서 육안으로 볼 수 없다. 대체로 크기가 수 나노미터(nm)에 불과한 작은 입자는 분말을 생성한다.

아얄라에 따르면, 이 분말을 물이 있는 용기에 넣고 햇빛을 비추면, 유기-금속 부분에서 물이 산소와 수소로 나뉜다. 밀폐된 용기 안에서 위로 부풀어 오르는 가스는 멤브레인을 통해 간단하게 분리할 수 있다.

낮은 무게, 높은 수율

실험 결과에 따르면 개발된 소재는 상대적으로 낮은 무게로 많은 양의 수소를 생산한다. 아얄라는 "가장 잘 알려진 MOF 중 하나는 동일한 조건에서 우리보다 10배 적은 수소를 생산한다"고 말했다.

비엔나 공대 팀은 MOF로 기록적인 결과를 달성했다. 하지만 아얄라는 이에 대해 "프로세스는 지속적으로 개선되고 있다. 이 주제에 대한 새로운 연구가 거의 매주 발표되고 있다"고 말했다.

그러나, 효율성 측면 즉 태양 에너지가 궁극적으로 얼마나 많은 수소로 변환되는지에 관한 한 비엔나 공과대학교의 MOF를 사용한 광촉매 공정은 1퍼센트에 불과했다. 반면, 몇 달 전 미시간 대학의 연구팀은 9%라는 놀라운 수치를 발표했다.

지속가능한 수소 생산이 관건

수소 생산에서 비용은 매우 중요하다. 하지만 아얄라는 "태양은 에너지원으로서 생산성이 매우 높기 때문에 최고 효율이 필요하지 않다. 중요한 것은 지속 가능성을 유지하는 것"이라며 비용이 결정적인 요소가 아니라고 선을 그었다.

게다가 물에서는 일부 물질의 성능이 급격히 저하되는 단점이 있다. 아얄라에 따르면 "나노 컷" 분말은 몇 주 동안 좋은 전환 결과를 달성했다. 그러나 장기적인 연구는 아직 수행되지 않았다.

아얄라는 "5~10년 안에 첫 번째 애플리케이션이 등장할 수 있을 것"이라며 이러한 유형의 수소 생산 원리가 발전할 것으로 기대했다.

한편, 이러한 과정을 거쳐 생산된 수소가 어떤 유형의 플랜트에 적용될지는 아직 예측할 수 없다. 어쨌든 광촉매는 소금물이나 폐수를 포함한 모든 형태의 물에서 작동하는 것이 목표다.

광촉매를 사용하면 미래에는 수소 외에도 완전히 다른 것이 생산될 수도 있다. 예를 들어 비엔나 공과대학교에서는 이미 수중에 떠다니는 미세 플라스틱을 녹이는 데 광촉매를 사용하는 방법에 대한 연구가 진행 중이다.