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2024-11-22 (금)

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파나소닉 HD, 전기 없이 '수소 생성기' 연구 착수

일본의 대표 리튬이온 배터리 제조사인 '파나소닉 홀딩스(HD)'가 전기 없이 수소를 생성하는 기술 연구에 본격적으로 착수했다. 이와 함께, 한국도 탄소배출을 하지 않고 수소를 만드는 '수전해' 기술 개발에 힘을 쏟고 있다. 일본 산업 전문 매체 '뉴스위치(Newswith)'에 따르면, 파나소닉 HD는 '메조결정(mesocrystal)'이라는 특별한 규칙적인 결정 구조를 가진 금속 산화물을 활용하면, 태양광만으로 광촉매의 원리로 물을 분해, 수소를 생산할 수 있다는 연구 결과를 발표했다. 이로써 앞으로 수소 에너지 활용 시, 전기를 사용하는 문제를 극복할 수 있을 것이라는 전망이 나왔다. 메조결정(mesocrystal)은 아주 작은 단위결정들이 결합해 큰 구조를 형성하는 특징을 가진다. 직경이 수백 나노미터(나노는 1/10억)에서 수 마이크로미터(마이크로는 1/1백만) 크기이며, 규칙적이고 조밀한 방식으로 축적된다. 표면적이 증가하기 때문에 특성이 향상되고 광촉매 작용의 효율을 기대할 수 있다는 장점이 있다. 파나소닉 HD는 "소자 표면에 금속 산화물의 메조결정질 용액으로 코팅된 기판을 부착해 빛을 통한 광촉매 반응으로 수분을 분해하는 기술을 개발했다"고 밝혔다. 그러면서 "현재 초소형 실험 장비에서는 이 기술의 기본 작동 원리가 확인됐다"고 덧붙였다. 파나소닉은 2030년까지 이 기술의 프로토타입을 완성하는 것을 목표로, 메조 결정 구조를 더욱 정밀하게 제어하고 장치의 크기를 확장하는 연구에 주력할 계획이다. 또한, 태양광과 물을 분리해 얻은 수소로부터 추가 에너지를 얻기 위해 태양 전지판과 함께 사용하는 등의 응용 방법을 검토하고 있는 것으로 알려졌다. 한편, 한국은 탄소배출을 최소화한 수소생산 기술, 즉 '녹색 수소' 생산에 집중하고 있다. 이를 위한 핵심 기술로는 신재생에너지와 수전해가 대표적이다. 수전해 기술은 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 과정이다. 이 중, 두산퓨얼셀은 양성자 교환막 기반의 고분자 전해질막(PEM) 수전해 시스템을 2023년 하반기에 상용화할 방침이다. 세계 1위의 선박평형수 전기분해 처리장치 제조사 테크로스는 알카라인 방식의 수전해 시스템 개방 중인 것으로 알려졌다. 이밖에도 SK E&S는 미국의 수소 전문 기업 플러그파워와 손잡고 수전해 분야로의 진출을 준비하고 있다.
- IT/바이오
2023-09-25
미래 에너지원 수소, '나노 섹션'으로 저비용 생산 가능

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.
- 산업
2023-09-12
한국전기연구원(KERI), 차세대 '리튬황배터리' 개발 성공

기존 배터리가 전기 저장만을 목적으로 했다면, 미래의 배터리는 단순 저장을 넘어서 부가가치 있는 화학물질 생산 기능을 갖는 하이브리드 배터리로 변화할 것으로 보인다. 한국의 연구팀은 아연과 망간을 활용해 이러한 하이브리드 배터리를 개발했고, 그 결과 기존 배터리에 비해 10% 이상의 향상된 전압과 에너지 효율을 보였다. 과학·기술 매체 '사이테크데일리(SciTechDaily)'에 따르면, 최근 과학자들은 단순 전기 저장 외에도 유용한 화학물질을 생성하는 하이브리드 배터리 시스템의 개발에 성공했다고 발표했다. 이 하이브리드 배터리는 전기 에너지를 저장하는 동시에 유용한 화학물질도 생성한다. 전통적인 2차 배터리는 전극 재료에 전기 에너지를 저장하는 방식을 사용한다. 반면, 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery)는 전극에 연결된 탱크에 보관된 화학물질을 활용한다. 이는 산화와 환원의 화학적 반응을 통해 전자가 전해액을 통해 음극에서 양극으로 이동하며 전기에너지를 발생시키는 원리를 기반으로 한다. 이번에 연구자들이 개발한 하이브리드 배터리는 사용 과정에서 푸르푸랄(나일론 합성에 사용되거나 살충제로 활용되는 액체)을 기반으로 한 니켈 수산화물 배터리이다. 이 배터리는 바이오매스(생물 유기체)에서 추출한 푸르푸랄을 푸르푸릴 알코올이나 푸로산 중 하나로 변환할 수 있다. 푸르푸랄 자체는 농업용 바이오매스에서 흔히 발견되는 오탄당에서 형성되는 작은 분자이며, 다양한 화학 분야에서 중요한 중간체로 사용되는 플랫폼 화학물질로 알려져 있다. 이물질은 푸로산으로 산화될 때 식품 방부제, 약물, 향료 합성의 중간체가 될 수 있으며, 환원될 때는 레진(수지), 향료, 약물의 전구체로서의 역할을 하는 푸르푸릴 알코올로 변환된다. 중국 베이징의 청화대학(Tsinghua University)에서 활동하는 하오홍 두안(Haohong Duan) 박사를 포함한 연구팀은 하이브리드 흐름 배터리를 사용해 두 종류의 부가가치 화학물질을 추출함으로써 배터리 시스템의 비용 효율성을 개선하는 데 성공했다. 기존의 충전식 배터리는 충전 과정에서 전극에 전기를 저장하고, 방전 시에는 해당 전기를 회로로 전달한다. 반면 레독스 흐름 전지라는 다른 타입의 배터리는 특정 화학물질에 전기를 저장하며, 해당 화학물질은 두 상태 사이에서 순환하면서 배터리 내에 계속 보관된다. 한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 박준우 박사팀과 부산대학교의 박민준 교수팀은 아연과 망간을 주요 소재로 사용하여 고성능 '레독스 흐름 전지' 기술을 개발했다. 레독스 흐름 전지는 큰 용량 저장이 가능하며, 배기가스를 발생시키지 않아 화재나 폭발 위험에서 상대적으로 안정적이다. 이러한 특성으로 인해 에너지저장장치(ESS) 용도로서 많은 관심을 받는 차세대 전지로 평가받고 있다. 연구자들은 에너지 저장 및 제공과 동시에 추가 화학물질을 생산하는 능력을 결합하여 이를 조사했고, 그 과정에서 흥미로운 결과를 발견하게 되었다고 한다. 양극용 이중 기능성 금속 촉매의 혁신적인 발전이 관찰되었는데, 로듐(백금족 금속의 일종)과 구리를 단일 원자 합금으로 조합하여 만들어진 촉매가 등장했다. 이 촉매는 배터리가 충전될 때 푸르푸랄(전해액 포함)을 푸르푸릴 알코올로 효과적으로 변환하며, 방전 시에는 푸로산을 생성한다. 또한 연구원들은 음극에서 니켈-아연 또는 니켈-금속 수소화물 배터리에서 사용되는 음극 재료와 유사한 특성을 가진 코발트-도핑 수산화니켈 재료를 확인했다. 이러한 조합을 통해 참신한 이중용 배터리 시스템이 개발되었다. 태양 전지로 충전된 이 배터리는 4개를 직렬로 연결하여 사용되며, LED 조명과 스마트폰 등의 장치를 작동시키면서도 지속적으로 푸르푸릴 알코올과 푸로산을 생성한다. 이 화학물질들은 흐름 시스템을 통해 전달된다. 이 새로운 하이브리드 배터리는 일반 배터리와 비교하여 에너지 밀도와 전력 밀도에서 유사한 성능을 보이면서도, 동시에 전력과 부가가치 있는 화학물질을 생산한다는 점이 새로 확인되었다. 1kWh의 에너지 저장 시, 0.7kg의 푸르푸릴 알코올이 생성되고, 0.5kWh의 전력 공급 시에는 1kg의 푸로산이 생산된다. 단, 푸르푸랄은 지속적으로 시스템에 공급되며, 최종 제품은 전해질에서 분리해야 한다. 이 연구팀이 제시한 하이브리드 방식은 2차 전지의 지속 가능성과 경제성을 높이는 첫걸음이지만, 이를 더욱 발전시키기 위한 지속적인 노력이 필요하다.
- IT/바이오
2023-09-07