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- 시트는 분말 현탁액으로 만든 유기 태양 전지만큼 가볍고 고성능 유선 모듈만큼 강력
- 이 부유식 수소 공장은 호수, 운하, 항구와 같은 개방된 수면에서 대규모로 사용 가능
- 해안 도시나 섬에 수소 또는 합성 가스를 공급할 수 있어
- 오염된 산업 연못을 덮거나 관개 운하에서 물 증발을 줄일 수 있다.

떠다니는 "잎"은 태양 수소를 생산한다.
박막 모듈은 햇빛을 사용해 CO2와 물을 비화석 연료로 변환한다.

태양에서 연료로:
연구원들은 햇빛을 사용해 가연성 수소 또는 합성 가스를 생산하는 초박형 부유 태양광 발전기를 개발했다. 필요한 것은 물과 이산화탄소뿐이며, 이는 광합성 방식으로 전기화학적으로 변환된다. 추가 전원 공급 없이 작동하는 저렴한 "인공 잎"은 미래에 호수, 운하 또는 바다에 떠 있는 작업에서 CO2를 흡수하고 수소를 생산할 수 있다고 팀이 "Nature"에 보고했다. 

▲ 플라스틱 쓰레기처럼 보이지만 실제로는 햇빛과 물을 비화석 연료로 바꿀 수 있는 부유식 수소 공장이다. © Virgil Andrei

식물은 광합성에서 에너지가 풍부한 물질을 생성하기 위해 CO2, 물 및 빛만 있으면 된다. 이것은 광촉매로서 태양 에너지의 도움으로 전기화학 반응을 일으키는 특수 효소에 의해 가능하다. 이 원리를 모방한 최초의 "인공 잎"이 이미 존재하며 광분해 물 분해의 도움으로 수소, 합성 가스 및 기타 비화석 연료를 생산할 수 있다.

초경량 버전의 인공 잎

케임브리지 대학의 Virgil Andrei와 그의 동료들이 개발한 "인공 잎"은 이제 한 단계 더 나아갔다. 이전 버전을 기반으로 광전기화학 "공장"을 초경량 박막에 맞게 조정했다. 결과적으로 모듈의 무게는 제곱센티미터당 약 30~100밀리그램에 불과하다. 유연한 운반체 재료와 특수 덮개층은 또한 소형 "태양광 연료" 원자로를 부유하게 만든다.

▲ 얇고 유연한 구성 요소는 초경량 버전의 태양열 연료 기술을 가능하게 한다. © University of Cambridge

"인공 잎은 일반적으로 무겁고 깨지기 쉬우므로 운송 및 확장이 어렵다"며 “그래서 우리는 성능 저하 없이 이 기술을 얼마나 확장할 수 있는지 알고 싶었다. 부유할 만큼 가벼워지면 이러한 모듈에 대한 완전히 새로운 응용 가능성이 열리기 때문이다”라고 안드레이는 설명했다. 얇고 유연한 소형 반응기는 호수, 항구 또는 바다에서 부유식 수소 또는 합성 가스 공장으로 사용될 수 있다.

태양광 수소에 대한 광전극 및 촉매 사용

연구원들은 이제 이러한 부유식 연료 생산자의 첫 번째 프로토타입을 구성하고 테스트했다. 모듈은 페로브스카이트와 비스무트 바나듐 산화물(BiVO4)로 만들어진 두 개의 광흡수 광전극이 유기 반도체와 결합된 폴리머 기반으로 구성된다. 이 구조는 촉매와 탄소 나노튜브 층으로 보완된다.

이것은 전기화학 반응을 위한 에너지원으로 햇빛을 사용하는 평평하고 유연한 모듈을 만들어져 물과 CO2를 분리하고 촉매에 따라 주로 수소 또는 일산화탄소와 수소의 혼합물(합성 가스)을 생성한다. 캠브리지의 작은 강에서 테스트된 첫 번째 모듈은 시간당 그램당 약 70.2마이크로몰의 수소 또는 합성가스 변형의 경우 4.88마이크로몰의 일산화탄소와 2.11마이크로몰의 수소를 생산했다.

"이러한 값은 수소의 경우 0.58%, 합성 가스의 경우 0.053%의 태양열 대 연료 효율에 해당한다"라고 Andrei와 그의 동료들은 보고했다. 따라서 자급자족 모듈은 실제 식물 잎만큼 효율적이다.

수상 수소 또는 합성 가스 공장

연구팀에 따르면 이러한 초경량 부력 태양광-연료 모듈은 태양광을 사용하여 "녹색" 수소 및 기타 청정 연료를 생산할 수 있는 새로운 기회를 제공한다. "이 부동 시트는 분말 현탁액으로 만든 유기 태양 전지만큼 가볍고 고성능 유선 모듈만큼 강력하기 때문에 다양한 태양광 기술의 장점을 결합한다"라고 Andrei는 말했다. 그러나 후자와 달리 부유식 수소 반응기는 케이블 없이 작동하며 대부분 자율적이다.

▲ 생성된 가스는 봉투에 모여 쉽게 추출할 수 있다. © University of Cambridge

새 모듈은 여전히 ​​더 최적화되어야 한다. 그러나 팀은 그러한 인공 잎이 곧 대규모로 생산되어 사용될 수 있을 것이라고 확신한다. Andrei는 "우리 연구는 이것이 현대 생산 기술과 호환되어 미래의 생산 자동화를 가능하게 함을 보여준다"라고 말했다. 미래에는 이러한 부유식 수소 공장이 호수, 운하, 항구 또는 연안과 같은 개방된 수면에서 대규모로 사용될 수도 있다.

“전기 생산을 위한 태양광 단지는 이미 널리 퍼져 있다. 우리는 연료 합성을 위한 유사한 태양광 공원(Park)을 구상하고 있다”라고 Andrei는 설명했다. "이것들은 해안 도시나 섬에 수소 또는 합성 가스를 공급할 수 있을 뿐만 아니라 오염된 산업 연못을 덮거나 관개 운하에서 물 증발을 줄일 수도 있다."
(Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04978-6)
출처: Nature, University of Cambridge

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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