중국, 물을 연료로 전환하는 연구에서 새로운 돌파구 마련

과학자들이 4월 7일 중국과학원 금속연구소 산하 선양재료연구센터 연구실에서 개량된 이산화티타늄(TiO₂) 반도체 광촉매 소재 샘플을 테스트하고 있다. 사진: 신화통신

150년 전, 공상과학 작가 쥘 베른은 물이 미래의 최고의 연료가 될 것이라고 예측했습니다. 오늘날 과학자들은 그 예측을 현실로 만들기 위해 노력하고 있습니다.

중국과학원 금속연구소 소장이자 연구팀장인 류강은 중국 과학 연구팀이 최근 "광촉매 물 분해를 통한 수소 생성" 분야에서 획기적인 진전을 이루었다고 말했습니다.

연구팀은 광촉매 반도체 물질인 이산화티타늄(TiO₂)을 '재구조화'하고 '원소 치환'하여 햇빛으로부터 직접 수소가스를 생성하는 효율을 크게 높였습니다.

관련 연구 결과는 4월 8일 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 게재되었습니다.

현재 태양에너지를 이용해 수소를 생산하는 주요 방법은 두 가지가 있다.

첫 번째 방법은 태양광 패널을 이용해 전기를 생산한 다음 물을 전기분해하는 것입니다. 효율성은 높지만 장비가 복잡하고 비쌉니다.

두 번째는 햇빛을 이용한 직접적인 광분해입니다. 즉, 이산화티타늄과 같은 반도체 물질을 사용하여 햇빛 아래에서 물을 "분해"하는 것입니다.

류강의 팀은 두 번째 방법에 집중했습니다.

서론에 따르면, 이산화티타늄을 사용하여 물을 분해하는 기존 방법은 큰 장애물에 부딪힌다. 이산화티타늄에 빛을 비추면 전기적으로 하전된 입자(전자와 전자구멍)가 내부에서 생성되고, 이 입자가 물을 분해하는 "도구"가 된다. 하지만 이 전자와 정공은 불안정합니다.

"전자와 정공은 마치 길을 잃은 경주용 자동차와 같아, 물질 구조라는 미로 속에서 마구잡이로 부딪힙니다. 대부분은 100만 분의 1초 이내에 재결합하여 사라집니다. 게다가 고온 제조 공정은 산소 원자가 '집을 떠나게' 하는 경우가 많아 산소 결손과 전자 포획을 발생시키는데, 이 모든 것이 광촉매 반응 효율을 저하시킵니다."라고 류강은 설명했습니다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 주기율표에서 티타늄의 "이웃" 원소인 스칸듐(Sc)을 창의적으로 도입하여 이산화티타늄을 개선했습니다. 결과는 스칸듐 원소가 세 가지 주요 장점을 가지고 있음을 보여주었습니다.

첫째, Sc의 이온 반경은 Ti와 비슷하므로 구조를 왜곡시키지 않고 결정 격자에 삽입할 수 있습니다.

둘째, Sc의 안정적인 원자가 상태는 산소 공석으로 인해 발생하는 전하 불균형을 중화하는 데 도움이 됩니다.

셋째, Sc 이온은 결정 표면을 재구성하여 "전자와 전자 구멍의 고속도로와 교차로"를 구축하는 것처럼 특수한 표면 구조를 만들어 미로에서 원활하게 탈출할 수 있도록 돕습니다.

연구팀은 정교한 조정을 통해 뛰어난 성능의 이산화티타늄 소재를 성공적으로 만들어냈습니다. 자외선 흡수율이 30%를 넘었고, 시뮬레이션된 햇빛 하에서 수소 생성 효율이 동일 소재에 비해 15배나 높아져 이 소재 시스템에서 새로운 기록을 세웠습니다.

류강은 "이 소재를 사용해 1제곱미터의 광촉매 패널을 만들면 햇빛 아래에서 하루에 약 10리터의 수소 가스를 생산할 수 있다"고 말했다.

이산화티타늄은 산업계에서 널리 사용되는 무기물질이며, 중국의 생산량은 전 세계의 50% 이상을 차지하며 완전한 산업 사슬을 형성한다고 연구진은 덧붙였다. 한편, 중국의 희토류 원소 스칸듐 매장량도 세계 1위를 차지하고 있다. 이는 미래에 광촉매 소재의 개발과 응용에 있어 잠재적인 산업적 이점을 창출합니다.

태양광 물 분해 효율이 지속적으로 향상됨에 따라 이 기술은 산업적 규모로 응용될 수 있는 잠재력을 갖게 되어 세계 에너지 구조의 전환을 촉진할 것입니다.

출처: https://baotintuc.vn/khoa-hoc-cong-nghe/trung-quoc-dat-dot-pha-moi-trong-tien-trinh-nghien-cuu-bien-nuoc-thanh-nhien-lieu-20250409112539937.htm