Water splitting

연구분야 Water splitting

오늘날 주목받고 있는 태양, 바람, 지열 등의 다양한 재생 에너지는 시간적 ∙ 공간적인 제약으로 인해, 이러한 에너지를 장기간 저장하거나 다른 형태의 에너지로 변환가능하게 해주는 기술의 개발이 요구되고 있다. 저비용, 고효율 수소 생산 기술의 개발은 이러한 요구들을 충족시킬 수 있는 열쇠로 제시되고 있다. 수소는 높은 에너지 밀도를 가지면서도 오염원 배출이 없는 특성으로 인해, 차세대 에너지 자원으로 주목받고 있다. 뿐만 아니라, 수소는 다양한 형태의 재생에너지를 화학 결합에너지의 형태로 저장하거나, 다음과 같은 일련의 화학 반응을 통해 이산화탄소를 유용한 연료로 쓰일 수 있는 다양한 탄화수소 화합물로 변환할 수 있다.

A. CO2+H2→CO+H2O. (Reverse water-gas shift reaction)

B. Syngas(CO,H2) post treatment

오늘날 전세계 수소 생산량의 90% 이상이 스팀-메탄 개질방법(steam-methane reforming)으로 생산되고 있다. 그러나 이 방법은 온난화의 주범으로 꼽히는 이산화탄소를 부산물로 생성하는 문제점을 가지고 있기때문에, 이산화탄소 발생없이 수소를 생산할 수 있는 다양한 기술들이 현재 개발 중에 있다. 그 중에서도 열 화학적 물 분해(thermochemical water splitting, TWS) 기술은 다른 기술들에 비해 다음과 같은 장점을 가지고 있어 주목받고 있다.
1) 수소 생산 반응이 반응기 체적 전체에서 일어나므로 (volumetric process), 저비용으로 수소의 대량 생산이 가능하다.
2) 열역학적 특성으로 인해, 광-전기 분해 등 다른 물분해 기술보다 높은 효율을 가질 수 있는 잠재성이 있다. 한편, TWS 분야에서도 two-step TWS이 간단한 메커니즘이라는 강점을 통해 이목을 끌고 있다. 환원 과정에서 산화 금속(MOx)이 에너지를 받아 산소(O2)를 방출하여 환원되며(MOx-δ), 이 후 물과 반응하여 다시 산화되면서(MOx) 수소를 방출하는 것이 그 메커니즘이다(그림 1).

그림 1. Two-step 열화학적 물분해 개략도.

우리 연구실에서는 기존 스팀-메탄 개질 방법을 잠재적으로 대체할 수 있는, 고효율 two-step TWS 기술을 개발하기 위해 노력 중이다. 이를 위해 우리는 기초 소재 연구부터 시작하여, 현재 분야에서 최고 성능을 보이는 소재인 CeO2 등 의 한계를 극복할 수 있는 새로운 소재를 개발하고자 한다. 또한 연구실 규모의 열화학 반응기를 구축하고, 개발한 소재들의 열화학적 물분해 성능을 해당 반응기에서 실험할 계획을 가지고 있다. 더 나아가, 열화학적 방법에 국한하지 않고, 흥미롭고 가치 있다고 판단되는 다른 물분해 관련 주제들 역시 도전 정신을 가지고 연구할 계획이다.