암모니아와 빛을 이용 ‘저비용 수소생성 신기술’

[디지털비즈온 이호선 기자] 미국 라이스 대학은 Cu(구리)-Fe(철) 플라즈모닉 광촉매를 사용하여 저비용으로 암모니아로부터 수소를 만드는 기술을 개발했다는 ​​연구 성과를 지난해 11월 24일 발표했다.

라이스 대학의 나노포토닉스 연구실(Laboratory for Nanophotonics)과 시지지 플라즈몬(Syzygy Plasmonics), 그리고 프린스턴 대학의 앤들링거 에너지 및 환경 센터(Andlinger Center for Energy and the Environment) 등에 의한 연구팀은 Cu-Fe 플라스모닉 '광촉매 반응에 의한 암모니아로부터의 수소 생성 신기술'이다.

이 연구는 온실 온난화에 기여하지 않는 무탄소 액체 암모니아는 운반하기 쉽고 분자당 1개의 질소와 3개의 수소 원자로 많은 에너지를 지니고 있다. 새로운 광촉매 기술은 빛에서 에너지를 생성하여 그 분자를 지구 대기의 가장 큰 구성 요소인 수소 가스와 질소 가스로 분해한다. 일반적인 촉매와 달리 열이 필요하지 않는 신기술이 적용된 것이다.

연구팀은 지구에 풍부하게 존재하는 전이금속인 Fe(철)와 Cu(구리)를 촉매로 선택했다. 우선, LED로부터 조사되는 파장 470nm의 광에 의해, Cu 원자가 ‘핫 캐리어 (Hot carrier)’라고 하는 고에너지의 전자를 생성했다.

이 핫 캐리어가 Fe 원자에 결합하고 있는 암모니아의 분해를 진행함으로써 수소를 얻을 수 있다는 구조다. 이 구조를 '플라즈모닉 광촉매 반응'이라고 부른다.

공동 저자 나오미 할라스와 피터 노드랜더는 2011년에 "핫 캐리어"라고 하는 수명이 짧은 고에너지 전자를 방출하는 플라즈몬 입자를 발견한 후, 2016년에 핫 캐리어 생성기가 촉매 입자와 결합하여 하이브리드 "안테나 반응기"를 생성할 수 있음을 발견했다.

일부는 빛에서 에너지를 수확하고 다른 일부는 에너지를 사용하여 수술 정밀도로 화학 반응을 유도했다.

LED로부터의 빛의 색은, 매우 예쁜 청색이 되어 있다. 시지지 플라즈몬의 수석 과학자 호세인 로바트자지 박사는 “빛이 없을 때 구리-철 촉매는 구리-루테늄 촉매보다 약 300배 더 낮은 반응성을 나타났다.” 이는 루테늄이 이 반응에 더 나은 열촉매라는 점을 감안했다.

조명 아래에서 구리-철은 구리-루테늄과 유사하거나 비슷한 효율성과 반응성을 보였다. 20cm 미만 길이의 원통형 반응 셀에 LED와 냉각 장치가 장착된 구조로 되어 있다. 아주 작은 구조체다.

시지지는 Rice의 안테나-리액터 기술을 이용하여 LED 구동 리액터에서 촉매의 확장 테스트가 적용되었다. Rice의 실험실 테스트에서 구리-철 촉매는 레이저로 조명되었고 Syzygy 테스트는 촉매가 LED 조명 아래에서 500배 더 큰 규모에서 효율성을 유지함을 보여주었다고 소개했다.

이번 연구 성과는, 2022년 11월 24일에 과학저널 Science에 게재되었다.