식물의 광합성 작용을 모방해 물에서 수소를 생산하고 나노물질을 이용해 효율적으로 저장하는 기술이 개발됐다. 사진은 햇빛을 받고 있는 나뭇잎.

수소는 온실가스와 다른 오염물질을 배출하지 않는 청정 연소 에너지로 화석연료의 대안으로 거론되고 있다. 수소가 연소 과정에서 배출하는 유일한 부산물은 물이다. 흔히 자동차 연료로 사용하는 휘발유와 비교해 수소는 경량인데다 에너지 밀도도 더 높다. 수소는 물을 전기 분해해 손쉽게 제조할 수 있으나 필요한 전기에너지에 비해 생산되는 수소에너지의 경제성이 낮아 대체전원 또는 촉매를 이용한 제조기술을 연구하고 있다.

수소에너지 이용의 또 다른 걸림돌이 저장이다. 수소를 휘발유처럼 연료로 이용하려면 안전하면서도 높은 밀도로 저장할 수 있어야 한다. 그러나 저장 재료의 한계로 수소에너지 이용은 어려움에 부닥쳐 있다. 최근 수소를 경제성 높게 생산하고 저장하는 신기술이 잇달아 개발돼 이런 한계를 넘어설 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

■'인공 잎'으로 수소 생산

수소를 저장한 마그네슘 나노결합체.

미국 MIT 연구팀은 최근 식물이 빛과 물을 에너지로 전환시키는 광합성 과정을 모방해 물을 분해하는 태양전지인 '인공 잎'을 개발했다. 포커 카드 크기에 이보다 훨씬 얇은 인공 잎은 실리콘, 전자기기, 촉매를 비롯해 화학반응을 가속화하는 물질로 이루어져 있다. 이 장치는 햇빛을 이용해 물을 두 가지 구성 원소인 수소와 산소로 분해해 전기를 생산한다.

인공 잎을 이용해 분해한 수소와 산소는 연료전지에 저장할 수 있다. 수소와 산소 모두 전기를 생산하는 데 사용된다. 인공 잎 태양전지는 4리터 정도의 물로 개발도상국 가정에서 하루에 소비하는 충분한 양의 전기를 생산할 수 있다. 인공 잎은 10여 년 전 미국 신재생에너지연구소의 존 터너가 최초로 개발했다. 이 장치는 광합성은 높은 효율성을 보였지만 비싼 희귀 금속으로 구성돼 있고 안정성이 낮아 시스템 수명이 하루를 넘기지 못했다.

MIT 연구팀이 개발한 인공 잎은 실리콘과 같은 저렴한 재료로 만들어졌으며 높은 안정성을 보여준다. 실험에서는 인공 잎 시제품이 효율의 감소 없이 최소 45시간 연속으로 작동했다. 이 인공 잎은 니켈과 코발트로 만든 촉매로 물을 수소와 산소로 분해하며 자연적인 잎보다 10배 이상 효율적으로 광합성을 할 수 있다.

■나노복합체로 고용량 수소 저장

프랑스 르노사에서 제작한 수소 연료전지 차량.

과학자들은 수소를 안전하게 저장하고자 고체로 저장하거나 반응성이 낮고 부피를 줄여 저장하는 방법으로 수소 저장 문제를 해결하려는 시도를 해왔다. 그러나 이런 고체 형태의 저장물질은 대부분 수소를 소량만 저장할 수 있었고 전반적인 에너지 효율을 높이려면 극한의 가열이나 냉각을 해야 한다. 최근 울산과학기술대 문회리 교수, 울산대 전기준 교수, 미국 에너지부 산하 로렌스 버클리국립연구소 제프리 어번 박사 연구팀은 현재 수소 연료전지에 사용하는 고압 수소탱크 방식보다 180% 더 많은 수소를 저장할 수 있는 '마그네슘 나노복합체'를 개발해 '네이처 머터리얼스'에 발표했다.

연구팀이 개발한 새로운 형태의 나노복합체는 5나노미터 크기로 상온에서 수소를 신속하게 흡수하고 방출할 수 있어 비용이 적게 들고 안전하다. 기존에 연료전지에 사용하는 고압 수소탱크는 수소를 액체로 만들어 저장해야 하기에 비용이 많이 들고 폭발 위험성이 있다. 연구팀은 나노복합체에 고분자 망을 씌워 산소나 물과 쉽게 반응해 수소 저장 능력이 떨어지는 마그네슘의 단점을 해결했다.