첨단 광촉매로 녹색 수소 생산 혁신: 태양광과 물로 효율적 제조 가능

Seoul오리건 주립대학교의 연구진은 태양빛과 물에서 깨끗한 에너지를 효율적으로 생성할 수 있는 새로운 물질을 개발했습니다. 이 물질은 광촉매로 작용해 수소를 생산하는 데 도움을 줍니다. 수소는 자동차 연료 전지, 암모니아 같은 화학물질 제조, 금속 정제, 플라스틱 생산에 중요합니다. 이 발견은 온실가스 배출을 줄이고 기후 변화에 대응하는 강력한 새로운 방법이 될 수 있습니다.

키리아코스 스틸리아누와 그의 팀은 오리건 주립대 과학대에서 금속-유기 구조체(MOFs)를 연구하고 있습니다. 이들은 다양한 용도로 조절 가능한 작은 구멍을 가진 소재입니다. MOF는 금속 이온이 유기 분자로 연결된 구조로 이루어져 있습니다.

이 연구에서 팀은 루테늄 산화물, 티타늄 산화물, 그리고 황과 질소 도핑을 사용하여 이종 접합을 만들었습니다. 이 이종 접합은 두 가지 상호 보완적인 특성을 가진 물질의 조합으로, 태양광 노출 시 물을 수소로 분해하는 광촉매의 능력을 향상시킵니다. 이 새로운 물질은 RTTA로 불립니다.

산화물의 양이 다른 여러 유형의 RTTA를 실험한 결과, RTTA-1이 가장 효과적이라는 것을 발견했다. 루테늄 산화물이 가장 적은 RTTA-1은 가장 빠르게 수소를 생산하였고 높은 양자 효율성을 보였다. 한 시간 동안 1그램의 RTTA-1은 10,700마이크로몰 이상의 수소를 생성했다.

스틸리아누는 RTTA-1이 효과적으로 작동하는 이유는 금속 산화물의 특성과 원래 MOF의 표면 특성이 잘 결합되기 때문이라고 밝혔다. 이 새로운 방법은 수소 생산을 더 지속 가능하고 효율적으로 만들 수 있다.

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새로운 광촉매를 사용하여 물에서 수소를 생산하는 것은 천연가스를 사용하는 것보다 더 친환경적입니다. 일반적으로 수소는 메탄 스팀 개질을 통해 생산되며, 이 과정에서 이산화탄소가 배출됩니다. 새로운 방법은 태양에너지를 사용하여 환경에 더 친화적인 옵션을 제공합니다.

전기 촉매 반응을 통해 수소를 생성하려면 촉매에 전기를 흘려야 하는데, 이를 지속 가능하게 만들기 위해서는 재생 가능 에너지에 의존해야 합니다. 또한, 비용 면에서 메탄 증기 개질법과 경쟁력을 갖춰야 합니다. 메탄 증기 개질법을 통해 생산된 수소의 가격은 약 1.50달러/kg이며, 이에 비해 녹색 수소는 약 5달러/kg입니다.

스틸리아누는 물이 수소의 풍부한 원천이며, 태양광을 이용해 광촉매를 통해 수소를 생산할 수 있다고 설명했습니다. 루테늄 산화물의 가격이 비싸긴 하지만, RTTA-1에서 사용되는 양이 적기 때문에 산업적으로 큰 문제가 되지 않습니다. 촉매가 안정적이고 신뢰할 수 있다면 적은 양의 루테늄 산화물 비용은 그리 중요하지 않아집니다.

OSU 과학대학과 화학과, 은퇴한 공립학교 교사이자 OSU 동문인 브라이언과 마릴린 클라이너의 지원을 받은 이 연구는 Angewandte Chemie에 게재되었습니다. 이 프로젝트는 대학원생인 엠마누엘 무사, 안킷 야다브, 카일 스미스가 주도하였습니다. 팀에는 시울레이 "데이비드" 지 교수, 전자현미경 시설 책임자인 피터 에슈바흐, 박사후 연구원인 민 수 정, 겸임 교수인 윌리엄 스티클이 포함되었습니다.