미국 연구진이 인공 태양을 활용한 신소재를 개발해 친환경 수소 생산 효율을 두 배 이상 높이는 데 성공했다.

미국 노스캐롤라이나 농공대학(North Carolina Agricultutal and Technical State University) 비슈누 바스타코티((Bishnu Bastakoti) 박사팀은 최근 태양에너지를 활용한 친환경 수소(그린수소)의 생산량을 기존 상용 소재 대비 약 2배 가까이 늘리는 신소재 개발 성과를 발표했다. 해당 연구에 대해서는 과학 전문 매체 인터레스팅 엔지니어링이 지난 26일(현지시간) 보도했다.

미국 에너지정보청(EIA)에 따르면, 2023년 미국의 1차 에너지 생산량 중 석유, 천연가스, 석탄 등 화석연료의 비중은 약 84%에 달했다. 이처럼 높은 화석연료 의존도는 온실가스 배출을 가속화하며 기후변화를 심화시키고 있어, 지속 가능한 대체 에너지원의 개발이 시급한 과제로 떠오른 상태다.

기존의 갈색 수소, 회색 수소, 청색 수소 생산 방식은 모두 온실 가스를 배출하는 반면, 그린 수소는 태양광을 에너지 원으로 사용해 더옥 깨끗한 에너지 생산 방식으로 주목 받고 있다.

바스타코티 박사 연구팀은 태양광 시뮬레이터를 활용해 수소 생산 과정에서 발생하는 빛의 강도 변동성 문제를 극복했다. 팀은 빛에 노출된 물 분자의 에너지 전달과 분리 과정을 정밀하게 측정해 수소 생성량의 일관성과 신뢰성을 확보했다.

연구의 핵심은 철 타이타네이트(iron titanate)를 기반으로 한 신소재로, 연구팀은 이 물질을 벌집 모양(honeycomb)의 구조로 설계하여 효율성을 극대화했다. 특히 다공성 벌집 구조는 넓은 표면적 덕분에 전하와 물질 전달을 최적화할 수 있어 촉매 반응을 크게 개선하는 데 기여했다.

연구팀이 개발한 이 소재는 2~50나노미터(㎚) 크기의 기공을 가진 메조포러스(mesoporus) 범위에 속하며, 기존의 상용 촉매 소재 대비 수소 생상량이 약 2배 가까이 증가한 것으로 나타났다.

바스타코티 박사는 "효율적이고 재상 가능한 에너지원으로 미래 에너지 수요를 충족할 수 있음을 널리 알리는 것이 중요하다"며 "석탄에서 천연가스로 전환했듯이 화석연료에서 그린수소로의 전환이 필요하다"고 강조했다.

연구팀의 이번 성과는 재료과학 및 광촉매 분야의 국제 학술지 '스몰(Small)'에 게재됐다. 또한 최근 네팔에서 열린 '과학자와의 만남(Meet the Scientist)' 컨퍼런스에서도 경제성 측면의 논의와 함께 큰 관심을 받았다.