[KISTI 과학향기]생산부터 저장, 활용까지, 수소경제 이끌 나노기술

최근 전 세계 에너지업계의 가장 큰 화두는 단연 수소경제다. 수소경제는 말 그대로 수소를 에너지원으로 활용하는 경제 시스템을 뜻한다. 수소는 연소 과정에서 물 이외의 부산물이 배출되지 않는 대표적인 청정에너지로 꼽힌다. 특히 다른 청정 에너지원보다 바람이나 일조량 같은 외부 환경의 제약 없이 에너지를 공급할 수 있다.

이런 장점 때문에 수소는 지구 온난화 등의 심각한 환경 문제를 일으키는 화석 연료 중심의 에너지 시스템에서 벗어날 수 있는 새로운 미래 에너지원으로 주목받고 있다. 일본과 중국, 유럽 등 세계 각국은 수소 경제를 미래 국가경제의 기반으로 삼기 위해 다양한 노력을 하고 있다.

한국 정부도 지난 1월 17일 수소차와 연료 전지의 보급을 확대해 수소경제 선도 국가로 도약하겠다는 '수소경제 활성화 로드맵'을 발표했다. 이를 위해서는 안정적이고 경제성 있는 수소의 생산, 저장, 운송 기술들이 필요하다. 어떤 기술들이 연구되고 있는지 알아보자.

◇태양광 수소 생산 효율 높이는 나노기술

수소를 얻는 방법에는 여러 가지가 있는데, 현재 널리 쓰이고 있는 수소 생산 기술은 대부분 석탄이나 천연가스와 같은 화석연료를 통해 얻고 있어 부산물로 이산화탄소가 발생한다는 문제점이 있다. 수소 자체는 친환경 에너지이지만, 생산하는 과정에서 이미 친환경과는 거리가 멀어지고 있는 것이다. 그래서 과학자들은 태양광 같은 신재생 에너지를 이용해 수소를 생산하는 기술을 연구하고 있다. 태양광으로 물을 분해해 수소와 산소를 만들고, 여기서 수소를 얻는 방법이다.

이때 태양광 에너지를 흡수해 효율적으로 물을 분해할 수 있는 반도체 물질인 광촉매가 필요하다. 하지만 지금까지 개발된 광촉매는 대부분이 자외선만을 흡수할 수 있었다. 현재 과학자들은 태양빛에 자외선보다 더 많이 포함된 가시광선까지 흡수하는 고효율의 광촉매를 개발하는 데 몰두하고 있다.

최근 가장 각광받는 광촉매 소재는 비스무스 바나듐 산화물이다. 2014년 성균관대학교 화학공학부 박종혁 교수팀과 포스텍 신소재공학과 김종규 교수팀은 텅스텐 산화물의 나노 꼬임 구조에 비스무스 바나듐 산화물을 수 나노미터 두께로 코팅한 물질로 광촉매를 만들었다. 비스무스 바나듐 산화물은 가시광선을 흡수하는 능력이 우수하고, 텅스텐 산화물은 전기적 특성이 좋아 흡수된 태양광으로부터 생성된 전기가 물을 분해하는 데까지 효과적으로 전달될 수 있다. 태양광 흡수 효율과 전기 전달 효율을 동시에 증가시킨 셈이다.

이 촉매를 이용해 일주일간 태양빛 아래에서 물 분해 수소 생산 실험을 진행한 결과, 기존의 광촉매인 티타늄 금속 산화물보다 10배 이상의 수소가 생성됐다. 6%의 효율로, 실용화에 필요한 최소 효율인 10%의 발판을 마련한 것이다.

비스무스 바나듐 산화물이 코팅된 텅스텐 산화물 나노꼬임 구조체. (출처 : 과학기술정보통신부)

◇수소 저장할 더 작고 가벼운 물질 찾는다

수소를 생산하는 것만큼이나 생산된 수소를 저장하는 일도 쉽지는 않다. 수소는 상온, 1기압에서 기체로 존재하기 때문에 액체 연료와 비교하면 에너지 밀도가 낮고 저장 및 운반이 불편하다는 단점이 있다. 수소경제가 실현되려면 석유처럼 편리하고 안전하며 경제적인 저장 기술이 개발돼야 한다.

현재는 350~700기압에 달하는 높은 압력으로 수소를 저장하는 기술을 많이 쓴다. 생산되는 수소차의 대다수가 이 방식으로 수소를 저장하고 있다. 하지만 수소차로 멀리까지 이동하려면 많은 양의 수소를 보다 더 작고 가벼운 용기에 담을 수 있는 기술이 필요하다. 이 때문에 과학자들은 수소를 대량으로 흡수하거나 방출할 수 있는 물질을 찾고 있다.

먼저 나노 크기의 구조를 갖는 새로운 금속수소화물을 개발 중이다. 2016년 포스텍 신소재공학과 손준우 교수팀은 바나듐 산화물(VO2)을 활용해 수소를 저장할 수 있는 신소재를 개발했다. 백금 나노 입자와 결합한 바나듐 산화물은 구멍이 뚫려 있는 격자 구조로, 여기에 수소가 들어가면 자유자재로 붙거나 떼어질 수 있다. 기존의 금속 수소 저장 소재에 비해 상대적으로 낮은 온도인 120도에서도 수소를 저장하고 방출할 수 있는 장점이 있어 더 안정적으로 수소를 저장할 수 있다.

손준우 교수팀이 개발한 수소 저장 신소재. 백금 나노입자와 결합한 바나디움 산화물에 수소가 단위 격자당 2개씩 달라붙을 수 있다. [출처: 네이처 머터리얼스]

탄소 나노튜브나 다공성 나노물질(MOF)에 수소를 저장하려는 연구도 활발히 이루어지고 있다. 탄소 나노튜브의 안쪽, MOF의 결정 내의 빈 공간에 수소를 저장할 수 있다. 2018년 UNIST 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀은 초미세 유기구조체를 개발해 수소를 효과적으로 저장하는 방법을 개발했다. 연구팀은 THA와 HKH 분자를 반응시켜 새장처럼 구멍이 뚫린 유기구조체를 만들었다. 이 유기구조체는 아주 미세한 기공을 가져 수소나 메탄, 이산화탄소 등의 기체를 흡착하는 성능이 탁월하다.

백종범 교수팀이 개발한 초미세 유기구조체(3D-CON)의 구조. 맨눈으로 보면 가루처럼 보이지만 원자 규모에서는 미세한 구멍이 규칙적으로 뚫려 있다. 이 공간 속에 수소를 꽉 잡아둘 수 있다. (출처 : UNIST)

◇수소차의 핵심 연료전지 단가 낮추는 나노촉매

수소를 에너지로 활용하는 대표적인 사례가 바로 '수소차(수소전기차)'다. 수소 경제의 중요한 목표 중 하나이기도 하다. 한국은 올해 4000대 이상의 수소차를 새로 보급하고, 2040년까지 수소차 누적 생산량을 620만대까지 확대하겠다고 발표했다.

수소차의 핵심은 연료전지다. 수소 저장 탱크에 있던 수소가 연료전지에서 산소와 만나 화학 반응을 하고, 이를 통해 전기 에너지를 얻는다. 이 전기 에너지로 자동차를 움직인다. 전기 에너지를 생산하는 과정에서 생기는 부산물은 오직 물밖에 없어 수소차는 '궁극의 친환경차'라고 불리기도 한다.

하지만 연료전지의 촉매로 사용되는 백금의 비싼 가격이 수소차의 걸림돌이다. 수소차의 제조원가 중 40%를 연료전지가 차지하고 있기 때문이다. 백금의 가격은 1kg 당 1억 원 이상이며, 사용할수록 성능이 급격히 저하되는 불안정성도 가진다. 그래서 전 세계적으로 연료전지에서 백금 함량을 낮추고 발전 효율을 높이는 연구가 진행되고 있다.

올해 2월 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 연구팀은 백금과 철 나노입자를 이용한 새로운 나노합금촉매를 개발했다. 연구팀이 개발한 촉매는 크기가 서로 다른 구멍이 뚫린 계층적 다공 나노구조를 갖고 있다. 백금의 구성 비율을 기존 대비 50% 낮추면서도 높은 온도에서도 변형되지 않고 기능할 수 있다. 실험 결과, 현재 상용 중인 수소연료전지의 10배가량의 성능을 나타냈다. 저비용, 고성능, 고안정성의 촉매 특성을 모두 만족시키는 획기적인 연구다.

IBS 연구팀이 개발한 서로 다른 다공성 구조(<2nm, 2~50nm, >50nm)를 가진 나노촉매. (출처 : IBS)

물론 수소경제를 뒷받침할 이런 기술들은 아직 발전하는 단계로, 상용화로 이어지기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다. 수소 생산, 저장, 활용까지, 나노 기술과 함께 맞이할 수소 경제 대한민국을 기대해 본다.

글: 오혜진 과학칼럼니스트