태양광 흡수제로서 규소와 적철석만을 이용한 첫 번째 ‘도움을 받지 않은’ 물 분리

요약: 적철석(hematite)의 표면을 매끈하게 함으로써, 연구자들의 팀이 수소 기체 안에 태양 에너지를 포획하고 저장하기 위해서 규소와 풍부한 녹과 같은 광물을 이용해서 첫 번째의 ‘도움을 받지 않은’ 물 분리를 이루어냈다.

그림. 물 분리는 깨끗한 수소 에너지를 수확하기 위해서 화학 반응에서 물과 태양광을 통합한다. 적철석의 표면을 매끈하게 함으로써, 보스턴대(Boston College) 화학자 Dunwei Wang이 이끈 연구자들의 팀이 수소 기체 안에 태양 에너지를 포획하고 저장하기 위해서 풍부한 녹과 같은 광물과 규소를 이용해서 ‘도움을 받지 않은’ 물 분리를 이루어냈다.

깨끗한 동력을 위해서 전자가 풍부한 수소를 얻기 위해서 효율적인 태양에너지 물 분리 방법을 찾는 것은 적철석의 좋지 않은 성능으로 인해서 좌절되어왔다. 그러나, 저널 Nature Communications에 오늘 온라인으로 실린 보고에 따르면, 이 광물의 표면을 ‘재-성장’시킴으로써, 더 매끈한 적철석이 전기적인 수율을 두 배로 늘려서, 에너지를 수확하는 인공 광합성으로 가는 새로운 문을 열어주었다.

재-성장시킨 적철석은 더 나은 동력 생성 양극임을 증명했고, 연구자들이 처음으로 인공 광합성에서 단일 광 흡수제로서 규소와 지구에 풍부한 적철석을 이용할 수 있게 했던 기록적으로 낮은 시동 전압을 만들어냈다고 이 보고의 주저자이며, 보스턴대 화학과 부교수인 Dunwei Wang이 말했다. 이 새로운 수소 수확 과정은 0.91퍼센트의 전체 효율성을 이루어냈는데, 이것은 그 자체로는 ‘보통의’ 값이지만, ‘지구에 가장 풍부한 원소들 중 두 가지인 무정형 규소와 적철석에 의해서 측정된 것 중 처음으로 의미있는 효율성’이라고 그 팀은 보고했다.

"단순히 적철석의 표면 성질을 매끈하게 함으로써, 이 녹의 가까운 사촌은 모래에서 나오는 규소와 짝을 이루어서 향상되어서 태양광 수소 생성을 위한 완전한 물 분리를 이루어낼 수 있다"고 Wang은 말했는데, 그의 연구는 깨끗한 에너지를 만들기 위한 새로운 방법들을 찾는데 집중하고 있다. "매우 희귀한 이 도움이 없는 물 분리는 비싸거나 희귀한 자원을 필요로 하지 않는다"고 Wang은 설명했다.

Wang은 이번 발견이 녹과 비슷한 철 산화물인 적철석에 대해서 이론 모형들이 예측했던 잠재적인 성능을 실현시키는데 중요한 단계를 보여준다고 말했다.
"이것은 쉽게 사용가능한 천연 자원에 의한 효율적이고 비싸지 않은 태양 연료 생산이 가까워졌다는 새로운 희망을 준다"고 Wang은 말했다. "그것을 이루는 것은 재생가능한 에너지에 의해서 동력을 얻는 지속가능한 미래에 기여할 것"이라고 Wang은 덧붙였다.

보스턴대와 캘리포니아대 버클리캠퍼스(UC Berkeley), 그리고 중국의 과학기술대(University of Science and Technology)의 연구자들을 포함한, 그 팀은 적철석의 표면 불완전성에 초점을 맞추기로 결정했는데, 이것은 이전 연구들에서, 수소 기쳬에 태양 에너지를 포획하고 저장하기 위해서 인공 광합성을 이용하는데 있어서 중심적인 과정인 광전자화학(photoelectrochemistry)을 개시하기 위해서 필요한 ‘시동’ 전압을 제한하는 것으로 알려져 있었다.

그 팀은 로렌스버클리국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)에 있는 싱크로트론 입자 가속기를 이용해서 적철성 표면 특징을 재평가했다. 그들은 동시에 모서리를 줄이고 파인 곳을 채워서 그 표면을 매끈하게 하는 과정인, 높은 온도에서 그 물질에 산성 용액을 적용하는 새로운 ‘재-성장’ 전략을 세웠다.시험에서 바로 동력 생성에서의 큰 증가인 0.24볼트에서 0.80볼트로의 광전압 증가와 함께, 시동 전압에서의 향상을 보여주었다.연구팀은 이 새로운 적철석-규소 방법에 대한 더 많은 변형이 그것을 대량 이용하기 쉽게 해준다고 보고했다. 더 나아가, 그 ‘재-성장’ 기술은 인공 광합성에서 추가적인 돌파구를 마련하기 위해서 연구 중인 다른 물질들에도 적용 가능할지도 모른다.

"간단한 재-성장 처리가 적철석의 성능을 그렇게 많이 향상시킬 수 있다는 것을 보는 것은 즐거운 일"이라고 Wang은 말했다. "그것의 이전의 낮은 성능 때문에, 적철석은 그 영역의 많은 주요 연구자들이 ‘가능성 없다’고 일컬어졌었다. 우리는 이 지구에 풍부하고 독성이 없는 물질로부터 많은 것을 수확할 수 있다는 것을 보여서 기쁘다"고 Wang은 언급했다.

Journal Reference: Ji-Wook Jang, Chun Du, Yifan Ye, Yongjing Lin, Xiahui Yao, James Thorne, Erik Liu, Gregory McMahon, Junfa Zhu, Ali Javey, Jinghua Guo, Dunwei Wang. Enabling unassisted solar water splitting by iron oxide and silicon. Nature Communications, 2015; 6: 7447 DOI:10.1038/ncomms8447

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 6월 24일]