[초점] 값싸고 효율 높은 수소 에너지, '갈륨'에 달렸다

수소는 재생에너지 가운데 가장 각광 받는 자원이다. 하지만 생산‧보관에 많은 비용이 드는 것이 수소 에너지 시대를 빨리 여는 데 장애가 되고 있다.

이 문제를 해결하기 위해 과학자들이 연구에 박차를 가하고 있다. 문제가 되는 화석 연료를 사용하지 않고 실용적이고 저렴하게 수소를 생산할 방안 마련을 위해 노력하고 있다.

새로운 연구 결과는 소비자가 알루미늄과 갈륨(Gallium, 원자번호 31)의 기존 공급을 활용할 경우 그 목표에 도달할 수 있다는 점을 보여준다. 물 분자에서 산소를 제거하고 수소를 남길 수 있는 알루미늄 나노입자를 포함하는 비교적 간단한 방법이다. 이 공정은 많은 양의 수소를 생성하며 모두 실온에서 작동한다. 이는 수소 연료 생산에 대한 큰 장벽 중 하나인 많은 양의 전력을 불필요하게 만든다.

이 기술은 폐수 및 해수를 포함한 모든 종류의 물에 적용할 수 있다.
캘리포니아 대학교(UCSC, Santa Cruz)의 재료 과학자 스콧 올리버는 “화석에너지 투입 없이 수소 거품이 엄청나게 발생한다”고 말한다.

연구의 핵심 결론은 갈륨이 풍부한 Ga-Al(갈륨-알루미늄) 혼합물이 에너지 입력, 재료 조작 또는 pH 수정 없이 실온에서 상당 양의 수소를 생성한다는 것이다.

공정의 핵심은 갈륨금속을 사용하여 물과 지속적인 반응을 가능하게 하는 것이다. 이 알루미늄-갈륨-물 반응은 수십 년 동안 알려져왔지만 이 팀은 몇 가지 특정 방식으로 이를 최적화하고 기능을 향상시켰다.

집속된 전자빔으로 표면을 주사하여 시료의 이미지를 생성하는 전자현미경의 일종인 주사전자현미경과 X선 회절기술을 활용해 연구원들은 최고의 효율로 수소를 생산하기 위한 알루미늄과 갈륨의 최적의 혼합물인 3:1 합성물을 찾을 수 있었다.

갈륨이 풍부한 합금은 알루미늄의 산화물 코팅(보통 물과의 반응을 차단)을 제거하고 더 빠른 반응을 가능하게 하는 알루미늄 나노입자를 생성하는 두 가지 역할을 한다.

UCSC 유기화학 교수인 싱가람 박탄은 “갈륨은 나노입자를 분리하고 더 큰 입자로 응집되는 것을 방지한다”고 말한다.

연구에서 알루미늄 나노 입자를 만들기 위해 고군분투했으며 정상적 대기압 및 실온 조건에서 생산할 수 있었다. 혼합 방법이 복잡하지 않으며 복합 재료를 사이클로헥산에 담가서 수분으로부터 보호할 때 최소 3개월 동안 저장할 수 있다. 그렇지 않으면 효율성이 저하될 수 있다.

알루미늄은 폐기된 알루미늄 캔 및 호일과 같은 소비 후 재료에서 얻을 수 있으므로 갈륨보다 구하기 쉽다. 갈륨은 더 비싸고 덜 풍부하지만 여러 번 회수해 재사용할 수 있다.

물론 상용화까지 해야 할 일이 남아있다. 실험실 설정에서 산업 규모로 사용할 수 있을 만큼 확장할 수 있는지를 확인하는 과정이다. 초기 연구 결과는 수소 생산에 대한 많은 잠재력을 가지고 있다는 점으로 추가 연구에서 상용화에 의미 있는 성과가 나올 경우 수소 생산의 혁신에 도달하는 것이다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com