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알코올, 수산화나트륨, 빛, 그리고 철을 이용한 수소 생산

알코올, 수산화나트륨, 빛, 그리고 철을 이용한 수소 생산
화학자들이 놀랍도록 간단한 수소 생산법을 발견했다.

잠재력을 지닌 뜻밖의 발견:
화학자들이 놀랍도록 간단한 수소 생산법을 발견했다. 복잡한 촉매 대신 메탄올, 수산화나트륨, 그리고 철 이온만 있으면 된다. 이 혼합물에 자외선을 쬐면 수소 가스가 발생한다. 연구진에 따르면 이 반응의 효율은 기존 촉매와 비슷한 수준이다. 이는 친환경 수소의 사용을 더욱 간편하고 경제적으로 만들 수 있다. 

▲ 새로운 공정을 통해 메탄올로부터 수소를 생산하는 과정이 놀라울 정도로 간단해졌다. © 규슈대학교/마츠모토연구실

친환경 수소는 화석 연료를 대체할 중요한 대안으로 여겨진다. 하지만 수소는 에너지 밀도가 높지 않아 운송 및 저장을 위해서는 많은 에너지가 필요한 액화 과정을 거치거나, 메탄올과 같은 더 작은 화합물로 변환해야 한다. 메탄올은 물과 대기 중 이산화탄소를 이용하여 전력-액상화(Power-to-Liquid) 또는 태양열-액상화(Sun-to-Liquid) 설비에서 생산할 수 있으며, 운송 및 저장 또한 기존 수소보다 간편하다.

하지만 수소 활용을 위한 중간 단계로 메탄올을 사용하는 효율은 알코올에서 수소를 추출하는 탈수소화 반응의 용이성과 효율성에 크게 좌우된다. 현재 이 과정에는 복잡하고 때로는 값비싼 촉매가 필요하다.
우연한 대조 실험에서의 발견

규슈 대학의 사쿠라이 마사야(Sakurai Masaya) 교수 연구팀이 다른 방법을 발견했다. 연구팀은 "이 반응을 특별히 찾고 있던 것은 아니었고, 순전히 우연히 발견했다"고 밝혔다. 사실 그들의 실험 목표는 금속-유기 골격체(MOF)를 이용한 수소 생산을 연구하는 것이었다. "우리는 대조 실험 중 하나에서 이 발견을 하게 되었다.“

▲ 실험 절차. © 규슈대학교/마츠모토 연구실

이 대조 실험에서 연구팀은 메탄올에 수산화나트륨(NaOH)과 염화제2철(FeCl₃)을 녹였다. 규슈 대학의 마츠모토 타카히로는 "이 혼합물에 자외선(UIV)을 조사하자 상당량의 수소 가스가 생성됐다"며, "처음에는 믿기 어려웠지만, 추가 실험을 통해 이 결과를 검증하고 확인했다"고 설명했다.

기존 촉매와 유사한 효율성

추가 분석 결과, 메탄올, 가성소다, 철 이온 용액에 빛을 쬐면 놀라운 효율로 알코올의 탈수소화를 유도하는 화학 반응이 일어나는 것으로 나타났다. 이 과정에서 철 이온이 촉매 역할을 한다. 마쓰모토 연구원은 "수소 생산 속도는 FeCl₃ 촉매 1g당 시간당 921밀리몰에 달했다"고 보고했다. 이는 기존 최고의 촉매 효율과 맞먹는 수치다.

▲ a) 메탄올 용액에 녹인 FeIIICl3(0.25 mM)의 UV-vis 스펙트럼(공기 중) 및 b) 메탄올 용액에 녹인 FeIIICl3(0.25 mM)와 NaOH(90 mM)를 첨가한 용액의 UV-vis 스펙트럼(공기 중). 셀 길이는 1.0 cm이다. (출처: Published: 17 April 2026 / Iron ion enables photocatalytic hydrogen evolution from methanol / communications chemistry)

연구진은 "그러나 우리의 시스템은 이러한 유기금속 시스템과 근본적으로 다르다"며, "금속 이온만을 사용해 메탄올로부터 물을 생산하는 최초의 사례"라고 설명했다. 연구진은 아직 이 새로운 메탄올 탈수소화 반응의 정확한 화학적 메커니즘을 밝혀내지 못했다.
하지만 추가 실험 결과, 이 수소 생산은 무수 용액에서 가장 효과적으로 일어나는 것으로 나타났다. 연구팀은 "이는 이 철 촉매 작용의 메커니즘이 기존에 일반적으로 사용되던 유기금속 시스템과는 상당히 다르다는 것을 시사한다"고 밝혔다.

▲ Fe 촉매를 이용한 알코올의 탈수소화 반응. 본 연구에서는 FeIII 이온을 촉매로 사용하여 자외선 조사 하에 알코올로부터 H2를 발생시켰다(R1 및 R2는 알킬기 및/또는 H를 나타냄). (출처: Published: 17 April 2026 Iron ion enables photocatalytic hydrogen evolution from methanol / communications chemistry)

큰 잠재력

사쿠라이와 그의 동료들에 따르면, 그들이 새롭게 발견한 공정은 메탄올 및 기타 지속 가능한 방식으로 생산된 전구체로부터 수소를 얻는 유망하고 놀랍도록 간단한 방법을 제공한다. 마쓰모토는 "이 반응은 매우 간단해서 초등학생부터 일반인까지 누구나 재현할 수 있다"고 말했다.

실험 결과, 철 이온, 자외선, 알칼리의 조합은 메탄올보다는 효율이 떨어지지만, 장쇄 알코올, 포도당, 심지어 셀룰로오스와 같은 다른 유기 화합물로부터도 수소를 생산하는 데 적합한 것으로 나타났다. 연구진은 이 분야의 최적화 가능성이 매우 크다고 보고 있다.

참고: Communications Chemistry, 2026; doi: 10.1038/s42004-026-02009-3
출처: 규슈대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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