요약:
연구원들은 최근 자연 잎에서 영감을 받은 새로운 '인조 잎' 장치를 개발했습니다. 이 장치는 햇빛을 사용하여 오염된 바닷물에서 직접 깨끗한 수소를 생산하는 동시에 산업 폐수에 있는 독성 오염물질인 히드라진을 분해하여 에너지 생산과 물 정화라는 두 가지 기능을 동시에 달성할 수 있습니다. 이번 결과는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 저널에 게재됐으며, 미래 그린수소에너지 생산을 위한 보다 효율적이고 지속가능한 새로운 아이디어를 제공할 것으로 평가된다.
수소는 미래의 중요한 청정 에너지원 중 하나로 널리 알려져 있지만, 전통적인 수소 생산 공정에는 많은 양의 에너지가 필요한 경우가 많습니다. 현재 가장 일반적인 방법은 전류를 사용하여 물을 수소와 산소로 분리하는 물 전기분해입니다. 그러나 대부분의 전기분해 시스템은 귀중한 담수 자원에 의존합니다. 바닷물은 풍부하지만 염화이온이 다량 함유되어 있어 직접 활용이 어렵다. 염화물 이온은 반응 효율을 감소시킬 뿐만 아니라 부식성 및 독성 염소화 부산물을 생성하여 장비를 손상시킬 수도 있습니다.
이러한 문제를 극복하기 위해 싱가포르 난양기술대학교 연구팀은 새로운 빛 구동 장치를 설계했습니다. 이 장치는 식물 잎이 광합성을 수행하는 것처럼 태양 에너지를 수집하고 추가적인 외부 전원 공급 장치 지원 없이 빛 에너지를 화학 반응을 구동하는 데 필요한 전기 에너지로 직접 변환할 수 있습니다.
연구팀은 소자 양극 부분에 철, 코발트, 크롬으로 구성된 촉매를 투입했다. 촉매는 산업 폐수에서 흔히 발견되는 독성이 높은 화학물질인 히드라진을 수소와 질소로 분해합니다. 전통적인 물 전기분해 공정에서 산소를 생성하는 반응과 비교할 때, 이 히드라진 산화 공정은 더 낮은 에너지를 필요로 하므로 전반적인 수소 생산 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 동시에 오염물질인 히드라진을 효과적으로 제거하여 폐수 정화 기능을 구현합니다.
연구원들은 이 디자인이 두 배의 이점을 가져온다고 말합니다. 한편, 음극은 햇빛을 사용하여 바닷물을 구동하여 수소를 생산합니다. 반면에 양극은 유해한 히드라진을 처리하는 동안 추가 수소를 생산하여 시스템의 총 수소 생산량을 증가시킵니다. 또한, 촉매는 내식성이 뛰어나며 다양한 적용 요구 사항에 따라 전기적, 물리적, 화학적 특성을 조정할 수 있습니다.
더 중요한 것은 이 반응 메커니즘이 해수 전기분해 중 유해한 염화물 부산물의 생성을 크게 억제할 수도 있다는 것입니다. 부식성 및 유독성 물질의 발생이 감소되어 장비 작동 안정성 및 수명이 향상될 것으로 기대됩니다.
광전변환 부분에서는 연구진이 납할로겐화물 페로브스카이트 소재를 사용해 음극을 만들었다. 이러한 유형의 반도체 소재는 빛 에너지를 흡수하여 전기 에너지로 변환하는 효율이 높아 최근 몇 년 동안 광범위한 주목을 받고 있습니다. 연구팀은 바닷물 환경으로 인해 소재가 열화되는 것을 방지하기 위해 은과 구리 입자가 함유된 전도성 에폭시 수지와 티타늄 포일을 사용해 소재를 보호했다.
실험 결과에 따르면 이 장치는 시뮬레이션된 해수 또는 실제 해수 샘플에서 안정적으로 전류를 생성할 수 있는 것으로 나타났습니다. 광전류 밀도는 제곱센티미터당 25밀리암페어에 달하며, 이는 현재 보고된 납 기반 페로브스카이트 광전 음극 결과 중 가장 높은 수준으로 탁월한 태양 에너지 변환 능력을 나타냅니다.
안정성 테스트도 좋은 성적을 거두었습니다. 맑은 날의 자연광 강도와 동등한 조건에서 장치는 72시간 이상 지속적으로 작동되었으며 성능은 안정적으로 유지됩니다. 동시에 히드라진 농도는 리터당 0.5몰에서 0.5ppb로 감소했는데, 이는 미국 환경 보호국의 안전 한도인 10ppb보다 훨씬 낮은 수치입니다.
연구팀은 이 기술이 태양에너지를 활용해 해수를 직접 유도해 수소를 생산하는 동시에 오염물질을 처리할 수 있는 가능성을 입증했다고 믿고 있다. 다음으로는 플랫폼의 적용 범위를 더욱 확대해 더 많은 종류의 오염물질을 처리할 수 있도록 하고, 폐기물을 연료나 산업용 화학물질로 전환하는 가능성도 모색해 그린에너지와 환경관리 기술의 통합적 개발을 추진할 계획이다.
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