환경 세특 주제 : 광촉매 사용 수소 생산

1. 수소 생산에서 촉매가 중요한 이유

  우선 촉매가 무엇인지 짚고 넘어갈 필요가 있습니다. 촉매는, 어떠한 공정에서 소모되지 않고 반응의 속도를 빠르게 하는 물질입니다. 화학 반응을 원하는 쪽으로 사용하기 위해 중요한 것은, 화학 반응의 방향과 그 반응의 속도입니다. 우리가 살펴볼 수소를 생산하기 위해서는 물을 분해하여 수소와 산소로 분해하는 과정을 주로 이용합니다. 이때 주변의 조건에 따라 물이 수소와 산소로 분해되는 방향의 반응이 일어나기도 하고, 그 반대의 과정인 수소와 산소가 결합하여 물이 생성되는 과정이 일어나기도 합니다. 하지만 우리가 살아가는 섭씨 25도와 1기압 정도의 상황에서는 물을 수소와 산소로 분해하는 반응을 만들기 어렵습니다. 또한 물을 분해하는 과정의 상황은 만들어 줄 수 있다고 해도, 그 반응의 속도 역시 조절해야 합니다. 두 조건 모두 중요하지만, 촉매는 이 반응의 속도를 조절해줄 수 있는 물질입니다. 반응 과정에 참여하지만 소모되거나 변형되지 않고, 반응에 필요한 활성화 에너지를 낮춰 주는 것입니다. 

2. 광촉매란?

  그렇다면 광촉매는 무엇일까요? 광촉매는 촉매이지만, 빛에 의해 활성화되는 촉매입니다. 일반적으로 자외선이나 가시광선 파장의 빛에 의해 활성화되게 됩니다. 빛에 광촉매가 노출되면, 광촉매의 전자는 들뜬 상태가 됩니다. 빛의 일정 파장을 흡수하여 전자가 높은 에너지 준위로 이동하게 되는 것이지요. 이렇게 되면 광촉매는 불안정한 상태가 되고 전자를 다시 낮은 에너지 준위로 돌아가 더 안정한 상태로 가고 싶어 합니다. 이때의 들뜬 전자는 산화 환원 반응을 촉진하게 됩니다. 이 산화 환원 반응을 활용하여 필요한 과정을 더 빠르게 진행하도록 유도할 수 있습니다. 또 촉매의 정의와 같게, 사용된 광촉매는 다시 원래 모습으로 돌아오게 됩니다. 따라서 일반 촉매와의 차이점으로는, 열 또는 화학 에너지에 의존해 작동하지 않고, 빛 에너지를 활용하여 촉매로서 작용한다는 것에 있습니다.

3. 광촉매의 수소 생산에서의 활용

 TiO2와 같은 광촉매는 보통 오염 물질의 분해와 같은 과정으로도 활용되지만, 우리의 경우에는 물과 산화 환원 반응을 진행하여 수소를 생산할 수 있게 되는 것입니다. 들뜬 전자의 산화 환원 반응이 물의 산소와 수소로의 분해 반응을 유도하게 되는 것입니다. 이렇게 생산해낸 수소를 활용하여, 에너지원으로 사용하게 되는 것입니다. 이때 주목할만한 점은, 광촉매만의 프로세스입니다. 보통 잘 알려진 수소 생산의 방법은, 물의 전기 분해입니다. 물은 상온에서 그대로 내버려 두면 별다른 분해 반응이 일어나지 않습니다. 이를 잘 알 수 있는 점이 상온 물 분해 반응의 엔탈피인데요, 대충 반응이 일어나기 위한 '문턱'의 에너지가 어느 정도인지 보여 주는 값이라고 생각하시면 편할 것 같습니다. 즉 이 반응이 일어나려면 필요한 에너지 정도로 생각하면 이해하시기 편할 것입니다. 상온에서의 물 분해 반응, 즉 물이 수소 기체와 산소 기체로 분해되는 반응의 엔탈피는 242kJ/mol로 큰 양수의 값을 갖고 있습니다. 즉 추가적인 에너지가 없다면 이 반응이 일어나기는 매우 힘들다는 뜻이 됩니다.

  이를 해결하기 위한 방안으로 물에 전류를 흘려 보내 줘 물에서 수소 기체를 획득하는 물의 전기 분해 방식을 활용하곤 합니다. 하지만 수소를 사용하고자 하는 이유는 에너지원으로써의 장점 때문인데, 수소를 생산하기 위해 전기를 소비하고 있는 아이러니함이 발생하고 있습니다. 하지만 앞서 말한 광촉매를 활용한 수소 분해를 진행하면, 그 에너지를 태양에너지로 사용하기 때문에 별다른 전력을 소모할 필요가 없다는 점에서 매우 유리한 것입니다.

  요즘 수소 에너지에 관심이 많고, 생기부에 작성하기에도 정말 좋은 주제라고 생각하기 때문에 다양한 방법으로 수소를 생산하는 방법들에 대해 글을 써볼 것 같습니다.

2024.05.10 - [세특/환경 실험] - 환경 실험 : 그린 수소 생산 실험

환경 실험 : 그린 수소 생산 실험

  위 글은 생기부에 작성할 수 있는 고등학생 수준의 그린 수소 생산 실험인데요, 관심 있으시다면 진행해 보시고, 더욱 높은 수준의 실험이 될 수 있도록 여러분만의 설계를 결합하여 진행하시면 더욱 좋은 내용을 얻어가실 수 있을 것 같습니다. 감사합니다!