[뉴스에프엔 김익수 기자] 수소 에너지는 청정 에너지의 미래를 위한 중요한 대안으로 주목받고 있지만, 물을 쪼개는 과정이 예상보다 더 많은 에너지를 소모하는 것으로 밝혀졌다.

노스웨스턴 대학의 연구팀은 물 분자의 "뒤집히는" 현상이 이 에너지 낭비의 주요 원인이라고 지적하며, 이를 해결하기 위한 효율적인 방법을 모색하고 있다.

과학자들은 물을 쪼개어 청정 수소 연료를 만드는 것에 흥분하고 있지만, 이 과정은 이론적으로 예상했던 것보다 더 많은 에너지를 필요로 한다.

최근 외신을 종합하면 노스웨스턴 대학의 연구팀은 물 분자가 산소를 방출하기 직전에 놀라울 정도로 "뒤집히는" 현상을 발견했고, 이는 많은 여분의 에너지를 소비한다고 밝혔다. 연구팀은 이 중요한 단계와 관련된 에너지 비용을 정량화하여 물 쪼개기의 효율성 병목 현상으로 작용하는 주요 원인을 규명했다.

프란츠 가이거 교수는 "물을 쪼갤 때 두 가지 반쪽 반응이 일어납니다. 하나는 수소를 생성하고, 다른 하나는 산소를 생성하는 반응입니다. 산소를 생성하는 반쪽 반응은 물 분자가 올바르게 정렬되어야 하기 때문에 예상보다 더 많은 에너지를 소비하게 됩니다"라고 설명했다.

기후 변화가 심화되면서, 과학자들은 화석 연료의 대안으로 청정 수소 에너지를 생산하기 위한 방법으로 물 분할에 점점 더 많은 관심을 기울이고 있다. 물 분할은 수소와 산소를 분리하여 청정 에너지 연료로 변환하는 과정으로, 이는 연료 전지나 다른 에너지 효율적인 방식으로 재활용할 수 있다.

하지만 물 분할에는 해결해야 할 여러 가지 과제가 존재한다. 그 중에서도 산소 진화 반응(OER)은 물을 분해하는 과정에서 가장 어려운 부분으로, 에너지 효율성을 저하시킬 수 있는 주요 원인으로 꼽힌다. 특히, 이리듐 전극이 가장 효율적이지만, 이리듐은 지구상에서 희귀하고 가격이 비쌈에도 불구하고 아직까지 물 분해 과정에서 가장 많이 사용되고 있다.

가이거 교수는 "이리듐은 매우 제한된 양만 존재하며, 비용이 높아 즉각적인 에너지 위기를 해결하는 데는 도움이 되지 않습니다. 연구자들은 니켈이나 철과 같은 더 저렴하고 풍부한 대체 자원을 찾고 있으며, 이러한 물질로도 효율적인 수소 생산을 실현할 방법을 모색하고 있습니다"라고 덧붙였다.

이 연구에서 중요한 부분은 물 분할 과정에서 분자들이 어떻게 변형되는지 실시간으로 관찰할 수 있다는 점이다. 연구팀은 "위상 분해 2차 고조파 생성(PR-SHG)"이라는 첨단 레이저 기술을 활용하여 물 분자의 변화를 실시간으로 추적했다. 이를 통해 물 분자가 전극 표면에서 어떻게 정렬되고 뒤집히는지, 그리고 이러한 과정이 어떻게 에너지 효율성에 영향을 미치는지를 면밀히 관찰할 수 있었다.

실험에서 연구팀은 저가의 철 기반 반도체인 적철광을 전극으로 사용하여 물 분자의 행동을 추적했다. 레이저가 물 속의 적철광을 조사하면서, 물 분자는 처음에는 무질서했으나 전압을 가하자 산소 원자가 표면을 향해 배치되는 모습이 관찰되었다. 이러한 "뒤집기" 현상은 산소 진화 반응에 필수적인 전자 전달을 가능하게 했다.

연구팀은 물 분자들이 뒤집히는 과정에서 필요한 에너지를 정량화했으며, 이 에너지 요구량이 물을 액체 상태로 유지하는 데 드는 에너지와 유사하다는 사실을 발견했다. 이는 물을 쪼개는 과정에서 예상보다 많은 에너지가 소비되는 주된 이유임을 시사한다.

뿐만 아니라, 연구팀은 물의 pH 수준이 물 분자의 정렬에 중요한 영향을 미친다는 사실도 발견했다. pH가 낮으면 물 분자가 올바르게 정렬되는 데 더 많은 에너지가 필요하지만, pH가 높을 경우 이 과정이 더 효율적으로 이루어져 물 분해의 에너지 요구량이 감소하는 것으로 나타났다.

이번 연구는 이전에 가이거 교수의 실험실에서 니켈 전극을 사용한 연구를 바탕으로 진행되었다. 니켈과 철을 포함한 금속과 반도체 모두에서 이러한 "물 뒤집기" 현상이 일어난다는 사실은, 물 분해가 고립된 현상이 아니라 물을 쪼개는 모든 과정에서 공통적으로 발생하는 특성임을 보여준다.

연구팀은 이러한 분자 운동을 용이하게 하는 촉매를 설계하면, 물 분해에 필요한 에너지 수요를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 전극 표면을 조정하여 물 분자의 정렬을 지원하는 방법을 개발하면, 보다 실용적이고 비용 효율적인 수소 연료 생산이 가능해질 것이란 기대다. 이는 청정 에너지의 미래를 위한 중요한 진전을 의미하며, 수소 경제로의 전환을 가속화하는 데 큰 기여를 할 것이란 전망이다.

이 연구는 수소 생산의 효율성을 높이기 위한 새로운 방향성을 제시하며, 향후 청정 에너지 기술 발전에 중요한 영향을 미칠 것으로 기대된다.