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NEW 독성 폐기물로 청정에너지 수소 생산, 조인선 교수팀 新 시스템 개발
- 2026-01-21
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아주대학교 조인선 교수팀이 독성 산업 폐기물을 정화하면서 동시에 청정 에너지 수소를 얻을 수 있는 혁신적 기술을 개발했다.
조인선 교수(첨단신소재공학과) 연구팀은 ‘하이드라진’이라는 독성 산업 폐기물을 선택적으로 정화시키면서 동시에 태양광 기반 수소 생산 효율을 크게 높일 수 있는 광전기화학 시스템을 개발했다고 밝혔다. ‘하이드라진’은 암모니아와 비슷한 자극적 냄새를 가진 독성 화학물질이다.
이번 연구 성과는 나노·마이크로 구조 재료 분야의 저명 학술지 <나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)>에 1월 온라인 게재됐다. 아주대 대학원 에너지시스템학과 런파 탄(Runfa Tan) 박사와 정유재 졸업생(現 미국 콜로라도대학 박사과정)이 제1저자로 참여했다. 아주대 사마드한 캅세(Samadhan Kapse) 박사와 미국 스탠포드대 한현수 박사, 성균관대 신성식 교수는 공동저자로 아주대 조인선 교수와 스탠포드대 샤올린 젱(Xiaolin Zheng) 교수는 교신저자로 함께 했다.
태양광을 이용해 물에서 직접 수소를 생산하는 광전기화학(PEC) 기술은 탄소 배출이 없이 청정 수소를 만들 수 있는 친환경 에너지 기술로 주목받아왔다. 광전기화학(PEC) 기술은 반도체 전극에 빛을 쪼여 전기화학 반응을 일으킴으로써 물(H2O)에서 수소(H2)와 산소(O2)를 분해, 수소를 얻는 방식이다. 그러나 느린 산소 발생 반응과 광산화극 소재의 물성 자체 한계로 인해 효율의 향상이 매우 제한적이었다.
이 기술에 활용되는 소재 중, 가장 유망한 반도체 소재로 평가되어 온 것이 바로 헤마타이트(α-Fe2O3, 산화철)다. 저렴하고 화학적으로 안정적인데다 대면적 적용도 가능한 특성이 있어서다. 그러나 전하 이동과 분리 특성이 매우 낮아 광전류와 수소 생산 효율이 낮다는 근본적 한계 때문에, 실용화에는 어려움이 많았다.
아주대 공동 연구팀은 이러한 기존 광산화극 소재의 한계를 극복하기 위해, 다회 용액 성장(Multiple growth)과 고온 화염 어닐링(flame annealing)을 결합한 MGFA 공정을 개발했다. 여러 번 나누어 구조를 쌓고, 불꽃으로 구워 성능을 극대화한 것. 이를 통해 결정 방향이 정렬된 계층적 다공 구조의 헤마타이트 광산화극을 구현할 수 있었다.
조인선 교수 연구팀이 만든 정렬-계층 다공구조와 헤마타이트 광전극 및 하이드라진 산화 기반 수소 생산 개념도
이를 통해 연구팀은 광산화극이 100시간 이상 안정적 물 산화 반응을 유지하는 것을 확인, 기존 헤마타이트 기반 광산화극의 구조적 한계를 개선할 수 있음을 보였다.
연구팀은 또한 느린 산화 반응의 해결을 위해, 하이드라진 폐기물을 산화 반응의 연료로 활용하는 전략을 도입했다. 이를 통해 기존 방식보다 비약적으로 상승한 광전류 값을 확보하는 데 성공했다. 이 광산화극을 상용 태양전지와 결합한 연구팀은 외부 전원 없이 오로지 태양광만으로 작동하는 시스템에서 역대 최고 수준(8.7%)의 수소 변환 효율을 달성해냈다.
조인선 교수는 “독성 폐기물을 에너지원으로 전환하면서, 동시에 청정 에너지인 수소를 생산할 수 있음을 보여준 사례”라며 “환경 정화와 청정 에너지 생산을 하나의 시스템에서 동시에 달성할 수 있는 새로운 방향성을 제시한 연구”라고 설명했다.
이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 사업의 지원으로 수행됐다.
* 위 사진 - 이번 연구에 참여한 아주대 대학원 에너지시스템학과 런파 탄(Runfa Tan) 박사, 아주대 조인선 교수, 스탠포드대 샤올린 젱(Xiaolin Zheng) 교수