지속가능성
수소 광촉매 후보 물질로서 실리콘 카바이드의 향상
수소가 탈탄소화에 필수적인 이유
As the quest for decarbonizing our energy systems goes on, it becomes clear that some processes might need more than just green electricity. This is maybe true for transportation, especially heavy-duty tasks like buses and trucks, certainly true for shipping and flying, and equally required for heavy industries like steel making and chemicals production.
The reason is that some applications need either very hot combustion (metallurgy), the provision of energetic hydrogen atoms without using methane (chemical industry), or a very energy-dense fuel (shipping), for which electrical power and batteries just don’t fit the bill.
“승용차는 배터리를 가질 수 있지만, 대형 트럭, 선박 또는 항공기는 에너지를 저장하기 위해 배터리를 사용할 수 없습니다. 이러한 운송 수단을 위해서는 청정하고 재생 가능한 에너지원을 찾아야 하며, 수소가 좋은 후보입니다.”
This is why researchers and climate activists have been considering green hydrogen, produced without fossil fuel, as an alternative. The issue is, however, that green hydrogen production has so far been too expensive to allow for mass adoption against fossil fuels.
녹색 수소 생산 과제 해결 방법
So far, most methods to produce hydrogen are working around a 2-step method:
- 첫째, 태양광, 풍력, 수력 또는 기타 재생 가능한 형태의 에너지로 친환경 전력을 생산합니다.
- 둘째, 이 친환경 전력을 사용해 물을 수소로 전환하는 촉매 반응을 구동합니다.
The problem with that is that any multi-step process is necessarily less efficient.
예를 들어, 태양광은 태양광 패널에 의해 20-25%의 효율로 전기로 변환되고, 그 전력은 비교적 낮은 효율을 가진 수소 촉매 장치로 전달됩니다. 결국, 태양 에너지에서 수소로의 전체 효율은 십의 자리 이하, 즉 낮은 한 자릿수 수준에 머무를 가능성이 높습니다.
또한 비용 문제도 있습니다. 촉매 장치는 플래티넘이나 팔라듐과 같은 희귀 금속을 소비할 가능성이 높습니다. 재생 에너지 생산에도 은과 같은 희귀 소재가 사용되며, 태양광 발전소에서 촉매 장치로 전력을 전송하는 데는 대규모 투자가 필요합니다.
마지막으로, 대부분의 수소 생산 촉매 장치는 안정적인 전력 공급을 필요로 하며, 이는 대형 배터리 시스템을 인프라의 추가 구성 요소로 도입해야 함을 의미합니다.
There are many possible approaches for solving this being explored. For example, we discussed previously:
- 수소 생산에 다른 소재를 사용하는 것, 예를 들어 텅스텐-코발트 또는 니켈.
- 플래티넘과 코발트를 가공할 때 발생하는 스크랩 금속을 활용
- 루테늄 나노입자를 이용한 인공 광합성 과정 만들기.
Each of these methods might ultimately work in creating cheaper catalysts that do not require an expensive amount of fresh platinum to produce hydrogen.
하지만 새로운 접근법은 직접 광촉매를 이용하는 것으로, 햇빛 에너지에서 바로 물을 수소로 전환하는 방식이며, 전기로 변환하는 과정을 거치지 않습니다. 직접 광촉매는 다단계 과정을 없앨 뿐만 아니라, 보다 간단하고 희귀성이 낮은 소재를 사용해 친환경 전력 생산 및 인프라를 구축할 수 있습니다.
This is the approach championed by researchers at Linköping University (Sweden), Kyushu University (Japan), MAX IV Laboratory (Sweden), and Dalian University of Technology (China). They published their latest progress in the Journal of the American Chemical Society1 under the title “3C-SiC 광양극의 이중 인터페이스 엔지니어링을 통한 전자 구조 조절로 향상된 태양광 물 분해”.
광촉매를 위한 실리콘 카바이드
실리콘 카바이드가 직접 광촉매를 가능하게 하는 방법
This research team has previously worked with a material called cubic silicon carbide (3C-SiC).
출처: RRL Solar
이 물질은 광화학 물 분해 반응을 통해 햇빛을 효과적으로 포획하여 수소를 생산할 수 있습니다.
출처: RRL Solar
햇빛이 물질에 닿으면 전하가 생성됩니다(폴리실리콘 태양전지와 유사하게), 이 전하가 물을 분해하는 데 사용됩니다.
이 적용을 위한 물질 개발에서의 과제는 양전하와 음전하가 다시 합쳐져 서로 중화되는 것을 방지하는 것입니다.
So, to make the splitting of water into hydrogen more effective, keeping the electrical charges separated is important.
새로운 3층 실리콘 카바이드 촉매 설계
The researchers combined a layer of cubic silicon carbide with two other layers, using nickel hydroxide (Ni(OH)2) and cobalt oxides (Co3O4).
The team had previously perfected the production of cubic silicon carbide using the sublimation technique, confirming the quality of the crystal with X-ray diffraction (XRD).
They also confirmed that the interface between the layers increased the lifetime of the electric charges, increasing the chance of the electrons being used by chemical reactions splitting water into hydrogen and oxygen.
“구조가 매우 복잡하기 때문에, 이번 연구에서는 각 층의 기능과 그것이 물질 특성을 어떻게 개선하는지 이해하는 데 초점을 맞추었습니다.
새로운 물질은 순수 입방체 실리콘 카바이드에 비해 물을 수소로 분해하는 성능이 8배 향상되었습니다.
광촉매 효율 향상을 위한 다음 단계
So far, silicon carbide photocatalysis has been only able to reach a 1-3% energetic yield.
The presence of a “P-Type” layer of cobalt oxide under structures of nickel hydroxide accelerates the movement of electrons, speeding up the production of hydrogen.
아직 완전한 수준은 아니지만, 연구진은 이 방법을 통해 크게 개선될 수 있다고 추정합니다.
궁극적으로는 백금이나 팔라듐을 전혀 사용하지 않고, 복잡한 인프라나 지속적인 전력 공급도 필요 없이, 햇빛이 장치에 비추어지는 즉시 수소가 직접 생산되어 10% 이상의 수율이 기대됩니다.
실리콘 카바이드 기업에 투자하기
ON Semi
(ON )
ON Semi는 전기화에 특화된 반도체 기업으로, 자동차 분야뿐만 아니라 태양광 에너지, 배터리, 항공우주, 통신, 데이터 센터 및 의료 등 다양한 분야에서도 활동하고 있습니다.
따라서 전 세계 주요 산업 기업들의 핵심 파트너 역할을 하고 있습니다.
출처: ON Semi
A big part of ON Semi’s technological advantage is based on 실리콘 카바이드, a type of silicon-carbon compound used for high-energy electric systems. They notably allow for very high power loads required for the fast charging of EVs.
실리콘 카바이드는 최근 연구자들이 반도체 그래핀을 개발하는 데 사용한 화학 물질이며, 우리 기사 “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”에서 논의된 바와 같이 수소 생산 가능성도 가지고 있습니다.
ON Semi가 실리콘 카바이드에 집중한 전략은 최근 몇 년간 전기차 혁신에 힘입어 매출 급증을 가져왔습니다.
출처: ON Semiconductor
실리콘 카바이드를 활용한 점점 더 강력하고 효율적인 배터리와 전기 시스템이 글로벌 공급망에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 이 분야의 선두주자로서 ON Semi는 전기화 추세, 특히 전기차와 기타 친환경 에너지로부터 큰 혜택을 받을 가능성이 높습니다.
(이 회사에 대한 더 긴 글을 읽으실 수 있습니다 “On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification”.)
최신 ON Semi (ON) 주식 뉴스 및 개발
참조 연구
1. Hui Zeng, et al. (2025) 3C-SiC 광양극의 이중 인터페이스 엔지니어링을 통한 전자 구조 조절로 향상된 태양광 물 분해. Journal of the American Chemical Society Vol 147/Issue 17. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04005
