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물을 미래의 연료로 바꾸는 새로운 물질의 발견
물을 미래의 연료로 바꾸는 새로운 물질의 발견
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  • 승인 2017.04.10 22:54
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최근 들어 화석 연료의 연소 과정에서 배출되는 이산화탄소로 인한 지구 온난화 문제가 더욱 심각해지면서 대체 에너지와 신재생 에너지와 관련된 연구 분야의 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 그 가운데 무공해 청정에너지인 태양 연료는 청정에너지 연구에서 꿈의 연료로 불리는데, ScienceDaily에서 2017년 3월 6일 이 청정에너지와 관련하여 미국의 버클리 연구소와 캘리포니아 공대의 연구원들이 이루어낸 업적에 관하여 보도하였다.

 

 

 

캘리포니아 공대와 로렌스 버클리 국립연구소의 과학자들의 연구 덕에 단 2년 만에 태양 연료로 이용될 가능성이 존재하는 물질의 수가 2배 이상 증가하였다. 이 연구진은 석탄, 석유와 같은 화석 연료를 대체할 수 있고, 상업적 사용이 가능한 태양 연료의 발견 과정을 가속화할 수 있는 새로운 연구 공정을 개발해냈다.


청정에너지 연구 분야에서 꿈의 연료라 불리는 태양 연료는 오직 태양광, 물, 그리고 이산화탄소를 이용하여 만들어진다. 이 분야를 연구하고 있는 과학자들은 수소 기체부터 액화 탄화수소까지 다양한 범주의 연료들 가운데 사용할 수 있는 것을 찾아보고 있는데, 현재 물을 분해할 수 있는가에 대한 검증 작업 중이다.


물 분자는 하나의 산소 원자와 두 개의 수소 원자로 구성되어 있는데, 이 물 분자 안에 포함되어 있는 수소 원자는 산소 원자에서 분리되어 가연성이 매우 높은 수소 기체로 합성된 후 이산화탄소와 혼합되어 재활용 가능한 탄화수소 연료를 만드는 데에 사용된다. 그런데 이 과정에서 문제가 하나 발생하는데, 바로 물 분자는 단순히 태양광을 쬔다고 해서 분해가 일어나지 않는다는 것이다. 만약 그랬다면, 현재 지표의 대부분을 바다가 덮고 있지 못하였을 것이다! 그래서 이 과정은 태양으로부터 에너지 공급 반응을 도와줄 수 있는 촉매를 필요로 한다.


태양 연료를 만들 때, 과학자들은 저비용 고효율의 ‘광양극’을 사용하는데, 이는 가시광선을 이용하여 물 분해를 촉진하는 물질이다. 그러나 이 광양극을 찾는 과정이 매우 복잡하고 길어, 지난 40년간 16개밖에 발견되지 않았다. 그런데 이번에 캘리포니아 공대의 존 그레고르(John Gregoire), 버클리 연구단의 제프리 니튼(Jeffrey Neaton) 그리고 치민 얀(Qimin Yan)은 고 처리량 분석방법을 사용하여 12개의 새로운 광양극 물질을 발견하였다.


새로 발견된 광양극 물질과 그 발견 과정에 대한 논문은 지난 3월 6일 PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 실렸다. 이러한 연구 공정 과정은 캘리포니아 공대의 JCAP(Joint Center for Artificial Photosynthesis)와 버클리 연구소의 재료 프로젝트(Berkeley Lab's Materials Project)의 합작을 통해 개발되었으며, NERSC(National Energy Research Scientific Computing Center)와 분자 주조소(Molecualar Foundry)의 정보가 활용되었다.


광전기촉매(Photoelectrocatalysis) JCAP의 협력자이자 고 처리량 분석 실험 그룹(High Throughput Experiment group) 회장인 그레고이르는 “이번 연구의 완성은 학제 간의 연구 진행의 청사진을 의미합니다. 새로운 광양극 12개를 찾았다는 사실 뿐만 아니라, 이번 실험으로 또다른 다양한 신물질을 발견할 수 있는 통로를 개척했다는 사실에 무척이나 기쁩니다."


분자 주조소(Molecualar Foundry)의 소장 니턴은 “이번 연구는 실험과 이론을 접목하는 방법을 이용하였는데, 이러한 과정을 거친 연구가 특히나 중요한 이유는 새로운 태양 연료를 위한 화합물 이외에도 실험물 자체의 정전기적 구성에 대한 새로운 정보를 발견하였기 때문입니다”라고 전했다.


이전까지의 광양극 연구는, 개개의 독립된 화합물의 활용 잠재성을 특정 상황에서 하나씩 실험해야하는 길고 복잡한 과정을 거쳤다. 그러나 이번 새로운 연구 공정에서 그레고이르와 그의 동료들은 공학적 접근과 실험적 접근을 혼합한 방법을 사용하였다. 우선 연구에 사용될 물질에 대한 정보를 미리 수집하여 활용 가능성이 보이는 화합물들만을 추려 데이터베이스를 구축였다. 그리고 그 자료를 다시 한 번 각 재료의 성질을 바탕으로 분류한 뒤, 가장 활용 가능성이 높은 후보들만 뽑아내어 고 처리량 분석 방법에 대입하는 실험을 진행하였다.


PNAS 연구지에 의하면 이 연구팀은 무려 174개의 금속 산화바나듐 화합물을 탐구하였다고 한다.


그레고이르는 이번 연구가 광양극 제조에 사용되는 세 번째 원소를 선택하는 다양한 과정을 제시하였고, 서로 다른 성질을 가진 다양한 소재들을 생산해내는 방법과 활용도가 높은 광양극을 생산하기 위해 어떻게 이 성질을 ‘조율’하는가를 알려주었다고 한다.


연구자 그레고이르는 “이번 팀의 가장 큰 성과는 이론과 슈퍼컴퓨터를 통하여 뽑아낸 최상의 가능성을 가진 물질을 고 처리량 분석 방법에 접목하여 새로운 과학적 지식을 상상할 수조차 없던 빠른 속도로 발견해낸 것입니다.”라고 전했다.

 

조상우 / 상산고등학교 / 대한민국 지속가능 청소년단(SARKA) 리포터
강민서 / 바람저널리스트 (http://baram.news / baramyess@naver.com)

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