나노기술 및 정책 정보

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신 재생 에너지의 한 가지 잠재적인 원천은 햇빛의 도움으로 물에서 생성되는 수소 가스임. 스웨덴 린셰핑(Linköping) 대학의 연구진은 수소 가스 생산을 위해 태양 에너지와 물을 분리하는 유망한 특성을 나타내는 나노다공성 입방 실리콘 카바이드 물질을 개발함.

이산화탄소 배출 증가 및 기후 변화와 같은 글로벌 에너지 및 환경 문제를 해결하려면 새로운 지속 가능한 에너지 시스템이 필요함.

수소의 에너지 밀도는 휘발유의 3배로, 연료 전지를 이용하여 전기를 생산하는 데 사용할 수 있으며 수소 연료 자동차는 이미 상용화되어 있음. 수소 가스를 사용하여 에너지를 생산할 때 생성되는 유일한 생성물은 순수한 물임.

그러나 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 기술은 공정을 위한 화석 연료에 의존하기 때문에 이산화탄소는 수소가 생성될 때 생성됨. 따라서 1톤의 수소 가스가 생성되면 9-12톤의 이산화탄소가 배출됨.

태양 에너지의 도움으로 물 분자를 분리하여 수소 가스를 생산하는 것은 이산화탄소 배출 없이 재생 가능한 자원을 사용하여 수소 가스를 공급할 수있는 지속 가능한 접근 방식임. 이 방법의 주요 장점은 태양 에너지를 저장 가능한 연료로 변환할 수 있다는 것임.

기존의 태양 전지는 낮에 에너지를 생산하며, 에너지는 즉시 사용하거나 예를 들어 배터리에 저장해야 함. 수소는 가솔린 및 디젤과 같은 기존 연료와 동일한 방식으로 저장 및 운송될 수 있는 유망한 에너지 원임.

그러나 태양광 에너지를 사용하여 물을 분리하여 수소 가스를 생성하는 것은 쉬운 일이 아님. 이를 위해서는 물이 광전해를 통해 수소와 산소로 분리되는 반응에 적합한 특성을 가진 비용 효율적인 소재를 찾아야 함.

물을 분리하는 데 사용할 수 있는 햇빛의 에너지는 대부분 자외선과 가시광선의 형태임. 따라서 이러한 방사선을 효율적으로 흡수하여 분리할 수 있는 전하를 생성하고 물 분자를 수소와 산소 가스로 분리할 수 있는 충분한 에너지를 가질 수 있는 재료가 필요함.

지금까지 조사된 대부분의 물질은 가시광선의 에너지를 사용하는 방식에서 비효율적이거나 물을 수소 가스로 분리하는 데 필요한 특성이 없음.

연구진은 입방 실리콘 카바이드, 3C-SiC를 조사하여 극히 작은 기공이 많은 입방 실리콘 카바이드 형태를 생산함. 나노다공성 3C-SiC라고 부르는 이 물질은 햇빛을 사용하여 물에서 수소 가스를 생성하는 데 사용할 수 있음을 보여주는 유망한 특성을 가지고 있음.

연구진은 이 새로운 다공성 물질이 자외선과 대부분의 가시광선을 효율적으로 포획하고 수확할 수 있음을 보여줌.

또한 다공성 구조는 필요한 에너지를 가진 전하의 분리를 촉진하는 반면 작은 기공은 더 큰 활성 표면적을 제공함. 이것은 전하 이동을 향상시키고 반응 사이트의 수를 증가시켜 물 분할 효율을 더욱 향상시킴.

연구진이 보여준 주요 결과는 나노다공성 입방 실리콘 카바이드가 전하 분리 효율이 더 높기 때문에 평면형 실리콘 카바이드를 사용할 때보다 물을 수소로 분리하는 것이 훨씬 더 좋다고 함.

본 연구 성과는 ACS Nano ("Nanoporous Cubic Silicon Carbide Photoanodes for Enhanced Solar Water Splitting")에 게재됨.