햇빛을 수확해서 광합성으로 물을 수소와 물로 쪼갤 수 있는 식물의 능력은 오랫동안 과학자들을 매료시켰다. 특히 이 공정을 복제해서 수소를 재생가능하고 지속가능한 에너지원으로 여기는 이들에게는 더욱 그랬다.
하지만 이런 장미빛 약속에도 불구하고, 광범위한 수소의 사용은 수소를 추출하는 과정에서 발생하는 비용과 효율성 문제로 제약을 받았다.
전기영동은 수소를 얻는 방법 중 하나다. 전기 영동은 두 개의 전극을 물에 담근 후에 전류를 가해주면 물의 수소와 산소 사이의 화학 결합을 깨뜨리게 된다. 이를 통해 수소 기체가 발생하고 이를 연료 전지에서 사용하면 전기 에너지로 전환된다.연료 전지의 부산물은 열과 물 뿐이다.
과학자들이 직면한 도전 과제는 수소 기체를 얻기 위해서는 보다 적은 에너지를 사용해서 전기 영동을 할 수 있는 촉매를 찾는 일이었다. 또한 전기 영동에 사용되는 재료들은 전류를 가해주면 부식이 일어나기 때문에 백금, 금 또는 은과 같은 희귀 금속을 사용해야 하는데, 문제는 이들 금속들이 비싸다는 것이다.
호주 과학자들은 이런 문제를 해결할 수 있는 방법을 찾았다고 보고했다. 즉 값싸고 고성능의 전기 촉매를 만들 수 있게 되었다는 것이다.연구팀은 진공 챔버에서 단일 산화 티타늄 결정을 만들 수 있었다고 보고했다. 연구팀은 진공 상태가 되면 재료 표면에 존재하는 모든 산소 원자를 제거되고, 결과적으로 전도성이 좋고, 견고하며, 효율성이 좋고, 값싸고 생산도 쉬운 촉매 재료가 된다는 것이다. 산화 티타늄은 지구상에 매우 흔한 재료로, 티타늄의 경우 부식 저항성, 전기 전도성이 좋고, 산화물의 경우는 절전제로 사용된다. 관련 연구는 ACS Catalysis에 보고되었다 (DOI: 10.1021/acscatal.8b00719).
연구팀은 재료 표면에 수 많은 산소 결핍이 생기기 때문에, 촉매가 물을 분해하는데 활성화 될 수 있도록 촉매의 물리, 화학적 특성을 최적화 할 수 있었다고 보고했다. 연구팀은 티타늄을 이용해서 지구에 풍부하고, 저비용으로 또한 화학적으로 안정된 재료를 만들 수 있었으며, 수소의 대규모 사용을 가속화시키고 관련 비용을 크게 줄일 수 있음을 보였다고 말했다.
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