[미국] 실리콘과 니켈로 이루어진 저렴하고 오래 지속되는 물 분해 장치
미국 스탠퍼드 대(Stanford University) 연구진이 비용이 저렴하고 부식이 없는 실리콘 기반의 물 분해 장치(water splitter)를 창안했다.
연구진에 따르면 니켈 초박막 층으로 코팅된 실리콘 반도체인 이 새로운 장치는 일광으로부터 청정 수소 연료를 대량 생산할 수 있는 길을 여는 데 도움이 될 것이다. 이들의 연구 결과는 2013년 11월 15일자 사이언스(Science) 학술잡지에 발표되었다.
"태양 전지(solar cell)는 일광이 있을 때만 동작한다. 일광이 없는 경우 태양 전지 발전을 사용하는 설비는 종종 석탄이나 천연가스를 사용하는 통상적인 발전소로부터 오는 전기에 의존해야 한다"고 이 연구의 공동저자이자 미국 스탠퍼드 대 화학과 교수인 홍지에 다이(Hongjie Dai)가 전했다.
좀 더 환경 친화적인 해법은 태양 전지를 야간이나 전력 수요가 특히 높을 때 전기를 만드는 수소 동력 연료 전지(hydrogen-powered fuel cell)로 보충하는 것이라고 홍지에 다이 교수가 설명하였다.
홍지에 다이 교수 연구팀은 연료 전지를 위한 청정한 수소를 만들기 위하여 물 분해법(water splitting)이라고 불리는 떠오르고 있는 기술에 의지하였다.
이 기술은 우선 두 반도체 전극을 연결하여 물속에 담근다. 두 반도체 전극은 일광을 흡수하고, 이 흡수된 에너지는 물을 그 기본적인 구성요소인 산소와 수소로 분해하는 데 이용된다.
산소는 대기 중으로 방출되고, 수소는 연료로 저장된다.
에너지가 필요한 경우 공정은 역으로 진행된다. 즉, 저장된 수소와 대기 중의 산소가 전기와 순수한 물을 만들기 위하여 연료 전지 내부에서 결합된다.
전체 공정은 환경 파괴 없이 지속 가능하며, 온실 가스를 방출하지 않는다.
그러나 물을 분리하는 저렴한 방법을 찾는 것이 주요한 도전과제였다.
오늘날 연구자들은 실용적으로 사용하기에 충분할 정도로 효율적인 물 분해 장치의 제작에 이용될 수 있는 저렴한 재료를 계속 탐색하고 있다.
[실리콘 해법]
"태양 전지에 널리 사용되는 실리콘은 이상적인 저가의 재료가 될 것이다. 그러나 실리콘은 전해질 용액과 접촉할 때 성능이 저하된다.
사실 실리콘으로 만들어져 물속에 잠긴 전극은 물 분해 반응이 시작하자마자 부식된다"고 사이언스 학술잡지에 발표된 논문의 공동 주 저자이자 스탠퍼드 대 대학원생인 마이클 케니(Michael J. Kenney)가 말했다.
2011년에 또 다른 스탠퍼드 대 연구팀은 이산화티타늄(titanium dioxide) 및 이리듐(iridium)의 초박막 층으로 실리콘 전극을 코팅하여 이러한 도전과제를 다루었다. 이 실험적인 물 분리 장치는 부식 없이 8시간 동안 수소와 산소를 생산하였다.
"이러한 결과는 고무적인 것이다. 그러나 실용적인 물 분리를 위하여 장기간에 걸친 안정성이 필요하다. 또한, 귀금속인 이리듐은 고가이다. 귀금속인 아닌 금속 촉매가 바람직할 것"이라고 홍지에 다이 교수가 말했다.
저가의 대안을 찾기 위해 홍지에 다이 교수는 마이클 케니 및 그의 동료들에게 보통의 니켈로 실리콘 전극을 코팅할 것을 제안하였다.
"니켈은 내부식성 재료이다. 또한 니켈은 산소를 만드는 활성 촉매이며, 천연자원으로 풍부하게 존재한다. 이러한 니켈의 특성은 물 분리와 같은 응용 분야에 매우 매력적"이라고 마이클 케니가 말했다.
[니켈 나노박막]
실험을 위하여 홍지에 다이 교수 연구팀은 2나노미터 두께의 니켈 박막 층을 실리콘 전극에 적용하고, 이를 또 다른 전극과 한 쌍을 만들어 이 둘을 물 및 붕산칼륨(potassium borate)의 용액에 담갔다.
일광과 전기를 인가하였을 때 두 전극은 물을 분해하여 수소와 산소를 만들기 시작했으며, 이 공정은 부식의 흔적 없이 약 24시간 동안 지속되었다.
성능을 개선하기 위하여 연구진은 리튬(lithium)을 물 기반 용액에 혼합하였다. "놀랍게도 리튬의 추가는 전극에 우수한 안정성을 부여하였다.
이들은 표면 부식의 흔적 없이 3일 이상인 80시간 동안 수소와 산소를 지속적으로 만들었다"고 마이클 케니가 말했다.
이러한 결과는 이전의 실험적인 노력에 비하여 상당한 진전을 이룬 것이라고 홍지에 다이 교수가 덧붙였다. "우리 연구실은 가장 오래 지속되는 실리콘 기반의 광전 양극(photoanode) 가운데 하나를 제작하였다.
이러한 결과는 초박막 니켈 코팅이 부식을 억제할 뿐만 아니라, 그렇지 않았다면 활발하지 못했을 물 분해 반응을 빠르게 진척시키는 전기화학적 촉매(electrocatalyst)로 작동한다는 것을 시사한다"고 홍지에 다이 교수가 말했다.
"흥미롭게도, 전해질에 리튬을 첨가하는 것은 토마스 에디슨(Thomas Edison) 시절부터 니켈 배터리를 향상시키기 위해 사용되고 있었다.
많은 시간이 지난 후에 리튬의 첨가가 물 분해 장치를 향상시키는데 도움이 된다는 것을 발견하여 우리는 들떴었다"고 홍지에 다이 교수가 전했다.
연구자들은 다른 재료들뿐만 아니라 니켈이 처리된 실리콘 전극에 대한 안정성과 내구성을 향상시키는 추가적인 연구를 수행할 계획이다.
이 연구는 미국 국립 과학 재단(National Science Foundation), 미국 스탠퍼드 대의 프리코트 에너지 연구소(Precourt Institute for Energy) 및 전 세계 기후 및 에너지 프로젝트(Global Climate and Energy Project) 등으로부터 자금을 지원받았다.
[그림 설명] 첨부된 그림은 물을 산소(왼쪽)와 수소(오른쪽)로 분리하는 2개의 전극을 보여준다. 이 두 전극은 외부 전원을 통하여 연결되어 있다.
비추어진 실리콘 전극(왼쪽)은 2나노미터의 니켈 박막에 의하여 주변의 전해질로부터 보호되며, 물 분해 공정을 돕기 위하여 일광 에너지를 이용한다.
[출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2013. 11. 18]
[원문보기]
Stanford scientists create a low-cost, long-lasting water splitter made of silicon and nicke
Stanford University scientists have created a silicon-based water splitter that is both low-cost and corrosion-free.
The novel device – a silicon semiconductor coated in an ultrathin layer of nickel – could help pave the way for large-scale production of clean hydrogen fuel from sunlight, according to the scientists.
Their results are published in the Nov. 15 issue of the journal Science.
"Solar cells only work when the sun is shining," said study co-author Hongjie Dai, a professor of chemistry at Stanford.
"When there's no sunlight, utilities often have to rely on electricity from conventional power plants that run on coal or natural gas."
A greener solution, Dai explained, is to supplement the solar cells with hydrogen-powered fuel cells that generate electricity at night or when demand is especially high.
To produce clean hydrogen for fuel cells, scientists have turned to an emerging technology called water splitting: Two semiconducting electrodes are connected and placed in water.
The electrodes absorb light and use the energy to split the water into its basic components, oxygen and hydrogen.
The oxygen is released into the atmosphere, and the hydrogen is stored as fuel.
When energy is needed, the process is reversed: The stored hydrogen and atmospheric oxygen are combined in a fuel cell to generate electricity and pure water.
The entire process is sustainable and emits no greenhouse gases. But finding a cheap way to split water has been a major challenge.
Today, researchers continue searching for inexpensive materials that can be used to build water splitters efficient enough to be of practical use.
Silicon solution
"Silicon, which is widely used in solar cells, would be an ideal, low-cost material," said Stanford graduate student Michael J. Kenney, co-lead author of the Science study.
"But silicon degrades in contact with an electrolyte solution. In fact, a submerged electrode made of silicon corrodes as soon as the water-splitting reaction starts."
In 2011, another Stanford research team addressed this challenge by coating silicon electrodes with ultrathin layers of titanium dioxide and iridium.
That experimental water splitter produced hydrogen and oxygen for eight hours without corroding.
"Those were inspiring results, but for practical water splitting, longer-term stability is needed," Dai said. "Also, the precious metal iridium is costly.
A non-precious metal catalyst would be desirable."
To find a low-cost alternative, Dai suggested that Kenney and his colleagues try coating silicon electrodes with ordinary nickel.
"Nickel is corrosion resistant," Kenney said. "It's also an active oxygen-producing catalyst, and it's earth abundant. That makes it very attractive for this type of application."
Nickel nanofilm
For the experiment, the Dai team applied a 2-nanometer-thick layer of nickel onto a silicon electrode, paired it with another electrode and placed both in a solution of water and potassium borate.
When light and electricity were applied, the electrodes began splitting the water into oxygen and hydrogen, a process that continued for about 24 hours with no sign of corrosion.
To improve performance, the researchers mixed lithium into the water-based solution. "Remarkably, adding lithium imparted superior stability to the electrodes," Kenney said.
"They generated hydrogen and oxygen continuously for 80 hours – more than three days – with no sign of surface corrosion."
These results represent a significant advance over previous experimental efforts, added Dai . "Our lab has produced one of the longest lasting silicon-based photoanodes," he said.
"The results suggest that an ultrathin nickel coating not only suppresses corrosion but also serves as an electrocatalyst to expedite the otherwise sluggish water-splitting reaction.
"Interestingly, a lithium addition to electrolytes has been used to make better nickel batteries since the Thomas Edison days. Many years later we are excited to find that it also helps to make better water-splitting devices"
The scientists plan to do additional work on improving the stability and durability of nickel-treated electrodes of silicon as well as other materials.
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