우리는 매일같이 전기, 가스, 휘발유와 같은 다양한 형태의 에너지를 소비하며 매우 편리한 생활을 누리며 살고 있다. 하지만, 만약 어느 날 갑자기 에너지가 고갈된다면 우리 삶의 모습은 어떻게 변할까? 상상하기 어려운 생활의 불편함뿐만 아니라, 심각한 경제 문제와 범죄, 나아가 국제 분쟁까지 가능하다는 생각을 한다면, 지속 가능한 에너지원에 대한 고민은 앞으로 더 늘어갈 에너지 소비에 대응하기 위해서라도 꼭 풀어 나가야 할 숙제임은 틀림이 없다. 게다가, 매일같이 불어 닥치는 중국발 미세먼지와 같은 문제의 원인이 값싼 화석연료 기반의 에너지에 대한 대가에 따른 지구적 환경과 기후변화에 그 원인이 있다는 점을 생각하면, 환경에 영향을 주지 않으면서 나날이 늘어나는 우리의 에너지 씀씀이를 모두 충족할 수 있는, 미래 친환경 에너지원을 찾는 연구는 시대적인 요구라는 점에서 매우 큰 의미가 있다.
아주대학교는 에너지의 변환, 저장, 그리고 활용과 관련한 연구를 활발히 진행하는 대학원 중심의 연구단과 학과를 운영하고 있으니, 이와 같은 연구를 수행하는데 최적의 조건을 가지고 있다고 할 수 있고, 그 기반이 되는 핵심 학문 분야로 화학을 꼽을 수 있는데, 그 이유는 에너지는 모두 화학 결합의 형태로 화합물에 저장하고 활용되기 때문이다. 예를 들면, 석탄이나 프로판 가스 또는 가솔린을 연소시켜 난방이나 요리를 하고, 또 자동차를 움직이는 것은 바로 이 화학 결합에 저장된 에너지를 끄집어 내어 활용하는 것과 같다.
하지만, 석탄, 석유, 천연가스와 같은 탄소 화합물을 기반으로 한 에너지원은 모두 지질학적 시간동안 지구에 퇴적되어 만들어진 유한한 자원이기 때문에 어느 순간 고갈에 대한 문제에서 자유로울 수 없고, 또한 지구 환경 온난화와 같은 문제의 핵심 주범으로 지목되고 있기도 하다. 따라서 고갈되지 않는, 지속 가능하고 친환경적인 에너지원에 대한 시대적 요구에 따라 최근에 전기자동차나 수소연료자동차와 같은 기술적 대안들이 주목 받고 있다.
그럼 전기나 수소는 정말 친환경적인 에너지원인가? 현재의 공업적 생산 과정을 살펴보면 절대 그렇지 않다. 전기는 주로 화석연료를 때우는 화력발전으로, 수소 또한 화석연료인 석탄 또는 메탄과 같은 탄소화합물과 물의 촉매 반응을 이용한 방법으로 대량으로 생산된다. 따라서, 모두 유한한 화석 연료에 절대적으로 의존하고 있어서, 친환경적이지도, 지속가능한 에너지원도 아니다.
유한한 화석연료를 소비하지도 않고, 기후 변화에 영향을 주지 않으면서 에너지를 생산할 수 있는 방법으로 광촉매 반응이 있다. 광촉매는 햇빛을 받아 활성화되어 화학반응을 유도할 수 있는 물질을 말한다. 광촉매 반응을 통해서 환경 오염 물질들이 분해되기도 하고, 에너지원으로 사용할 수 있는 수소나 유기 화합물 같은 화합물이 합성되기도 한다. 식물이 포도당을 합성하는 것도 광촉매 반응이다. 광촉매 반응은 화학 반응이지만, 어떤 오염 물질도 배출하지 않는 친환경 화학 반응이며, 화석 연료를 사용하지 않고 에너지를 생산하는 지속가능한 방법이다.
화학은 이 분야에서 새로운 화학적 조성과 구조를 갖는 광촉매 물질을 합성하고, 이들이 광촉매 반응성을 보이는 이유를 실험을 통해서 과학적으로 설명할 뿐만 아니라, 생성된 에너지원인 수소 화합물을 분리하고 저장하고 활용하는 과정에 필요한 다양한 기능성 물질들을 만들어가는 연구를 하는데 핵심이 되는 학문 분야이다. 최근에는 다양한 조성을 갖는 2차원 구조 물질의 광촉매 반응성이 규명되면서 이들 나노 구조를 합성하고, 광촉매 반응성을 규명하는 연구들이 활발히 진행되고 있으며, 광촉매를 이용한 친환경 에너지 생산의 가능성을 더욱 밝게 해 주고 있다.
광촉매를 통해 화학이 만들어가는 세상은 풍부한 친환경 에너지를 오염 물질의 배출없이 마음대로 사용할 수 있는, 풍요롭고 깨끗한 환경을 갖는 그런 세상이 아닐까 생각해 본다.