노스캐롤라이나대 채플힐 캠퍼스 에너지 프론티어 연구센터의 연구진은 태양의 에너지를 수소 연료로 전환할 수 있다고 주장하는 시스템을 개발했습니다.
“수소와 같은 이른바 ‘태양연료’는 자연광합성에서 힌트를 얻어 야간에 사용할 수 있도록 에너지를 저장하는 방안을 제시합니다.”라고 노스캐롤라이나대 예술과학대학 화학과 아레이 석좌교수인 톰 마이어 연구책임자가 말했습니다. “우리의 새로운 연구 결과는 태양 에너지를 저장하는 새로운 방법에 대한 마지막 주요 단서를 제공할 수 있습니다—이는 태양에너지 미래를 위한 전환점이 될 수 있습니다.”
‘염료감응 광전기화학 합성 전지(DSPEC)’라고 불리는 이 새로운 시스템은 마이어 교수와 그의 동료들 및 노스캐롤라이나주립대 그레그 파슨스 연구팀이 설계한 것으로, 태양의 에너지를 이용해 물을 구성 성분으로 분해함으로써 수소 연료를 생성합니다. 분해 과정 후 수소는 격리되어 저장되고, 산소 부산물은 공기 중으로 방출됩니다.
“하지만 물을 분해하는 것은 매우 어렵습니다.”라고 마이어 교수는 성명에서 밝혔습니다. ”두 분자에서 네 개의 전자를 떼어내 다른 곳으로 옮겨야 하고, 그 과정에서 수소를 만들어야 하며, 일단 그렇게 한 후에는 수소와 산소를 분리해 두어야 합니다. 이런 일을 할 수 있는 분자를 설계하는 것은 정말 큰 도전이며, 우리는 이제 이를 극복하기 시작했습니다.”
마이어 교수의 설계는 두 가지 기본 요소로 이루어져 있습니다: 하나는 분자이고, 다른 하나는 나노입자입니다. 이 분자는 색소-촉매 조합체로, 태양빛을 흡수해 촉매를 활성화하여 물에서 전자를 떼어냅니다. 수천 개의 색소-촉매 조합체가 결합된 나노입자는 전자를 이동시키는 나노입자 필름의 일부로서, 전자를 수소를 만드는 데 보내줍니다.
노스캐롤라이나대 채플힐 캠퍼스에 따르면, 최선의 시도에도 불구하고 이 시스템은 항상 고장났습니다. 색소-촉매 조합체가 나노입자에서 떨어져 나가거나, 전자가 충분히 빠르게 이동하지 못해 수소를 만들지 못했기 때문입니다.
이 두 가지 문제를 해결하기 위해 마이어 교수는 NCSU의 파슨스 연구팀에 의뢰해 나노입자 표면을 얇은 이산화티타늄 층으로 코팅하는 기법을 사용했습니다.
초박막 층을 사용함으로써 연구진은 나노입자가 이전보다 훨씬 더 빠르게 전자를 이동시킬 수 있다는 것을 발견했으며, 이렇게 방출된 전자는 수소를 만드는 데 활용되었습니다. 또한 색소-촉매 조합체가 나노입자에 단단히 붙어 있도록 보호막을 구축하는 방법도 확보했습니다. 이를 통해 조합체가 표면에 안정적으로 유지될 수 있도록 했습니다.
나노입자를 통한 전자의 흐름과 연결고리가 안정화됨에 따라 마이어 교수의 새 시스템은 거의 외부 전력 없이도 태양의 에너지를 연료로 변환할 수 있습니다.
이러한 태양광-연료 변환 장치를 설치할 수 있는 인프라는 이미 존재하는 기술을 바탕으로 가까운 미래에 실현 가능합니다. 다음 목표는 동일한 접근법을 활용해 이산화탄소를 포르메이트나 메탄올과 같은 탄소 기반 연료로 환원하는 것입니다.
“배터리에 저장된 에너지로 행성을 구동한다고 생각하면 현실적이지 않습니다.”라고 마이어 교수는 말했습니다. ”결국 가장 에너지 밀도가 높은 저장 방식은 분자의 화학적 결합 속에 들어있는 것이죠. 바로 우리가 한 일이 그것입니다—화학을 통해 답을 찾았습니다.”
