중국이 물을 연료로 전환하는 연구에서 새로운 돌파구를 마련했습니다.

사진 설명

4월 7일, 중국과학원 금속연구소 선양재료연구센터에서 과학자들이 변형된 이산화티타늄(TiO₂) 반도체 광촉매 물질 샘플을 조사하고 있다. (사진: 신화통신)

1500년 전, 공상과학 소설가 쥘 베른은 물이 미래의 궁극적인 연료가 될 것이라고 예측했습니다. 오늘날 과학자들은 그 예측을 현실로 만들기 위해 노력하고 있습니다.

중국과학원 금속연구소 소장이자 연구팀 책임자인 류강은 중국 연구팀이 최근 "광촉매를 이용한 물 분해를 통한 수소 생산" 분야에서 획기적인 성과를 거두었다고 밝혔다.

연구팀은 광촉매 반도체 소재인 이산화티타늄(TiO₂)의 "재구조화"와 "원소 치환"을 통해 햇빛으로부터 직접 수소 가스를 생성하는 효율을 크게 향상시켰습니다.

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

현재 태양 에너지를 이용해 수소를 생산하는 주요 방법은 두 가지입니다.

한 가지 방법은 태양광 패널을 사용하여 전기를 생산한 다음 물을 전기분해하는 것입니다. 이 방법은 효율은 매우 높지만 장비가 복잡하고 비쌉니다.

두 번째 방법은 햇빛을 이용한 직접 광분해로, 이산화티타늄과 같은 반도체 물질을 사용하여 햇빛 아래에서 물을 분해하는 방식입니다.

류강 연구팀은 두 번째 방법에 초점을 맞춰 연구를 진행했다.

설명에 따르면, 이산화티타늄을 이용한 전통적인 물 분해 방식에는 큰 문제가 있습니다. 빛이 이산화티타늄에 비추면 내부에 대전 입자(전자와 양공)가 생성되는데, 이 입자들이 물 분해의 "도구" 역할을 합니다. 하지만 이 전자와 양공은 불안정합니다.

류강은 다음과 같이 설명했습니다. "전자와 정공은 마치 길을 잃은 경주용 자동차처럼 물질 구조의 미로 속에서 제멋대로 충돌합니다. 대부분은 백만분의 1초 안에 재결합하여 사라집니다. 게다가 고온 제조 과정에서 산소 원자가 '제자리를 떠나' 산소 결함이 발생하고 전자가 포획되는데, 이 모든 것이 광촉매 반응의 효율을 저하시킵니다."

이러한 문제를 극복하기 위해 연구팀은 주기율표에서 티타늄과 "인접한" 원소인 스칸듐(Sc)을 창의적으로 도입하여 이산화티타늄의 성능을 향상시켰습니다. 그 결과, 스칸듐은 세 가지 주요 이점을 가지고 있음이 밝혀졌습니다.

첫째, 스칸듐(Sc)의 이온 반지름은 티타늄(Ti)의 이온 반지름과 비슷하므로 구조를 변형시키지 않고 결정 격자 내에 삽입될 수 있습니다.

둘째로, 스칸듐의 안정적인 원자가 상태는 산소 간극으로 인한 전하 불균형을 중화하는 데 도움이 됩니다.

셋째로, Sc 이온은 결정 표면을 재구성하여 마치 "전자와 전자 정공을 위한 고속도로와 교차로"를 만드는 것과 같은 특수한 표면 구조를 생성함으로써 전자와 전자 정공이 미로에서 더 쉽게 빠져나갈 수 있도록 돕습니다.

연구팀은 정교한 조정을 통해 탁월한 성능의 이산화티타늄을 성공적으로 제작했습니다. 이 소재의 자외선 흡수율은 30%를 초과했으며, 모의 태양광 조건에서의 수소 생산 효율은 유사 소재 대비 15배 증가하여 해당 소재 시스템에서 새로운 기록을 세웠습니다.

류강 씨는 "이 소재를 이용해 1제곱미터 크기의 광촉매 패널을 만들면 햇빛 아래에서 하루에 약 10리터의 수소 가스를 생산할 수 있다"고 말했다.

연구진은 이산화티타늄이 산업계에서 널리 사용되는 무기 소재이며, 중국이 전 세계 생산량의 50% 이상을 차지하며 완벽한 산업 사슬을 구축하고 있다고 덧붙였습니다. 또한 중국은 희토류 원소인 스칸듐의 세계 최대 매장량을 보유하고 있어, 향후 광촉매 소재 개발 및 응용에 있어 잠재적인 산업적 이점을 제공할 수 있다고 설명했습니다.

태양광을 이용한 물 분해 효율이 지속적으로 향상됨에 따라, 이 기술은 산업 규모 생산에 적용될 잠재력을 지니고 있으며, 전 세계 에너지 구조의 변화를 주도할 것으로 기대된다.

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