[투데이에너지 송명규 기자] 태양광을 이용한 수소 생산 기술의 실용화를 향해 한층 향상시킨 광전극 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국연구재단(이사장 노정혜)은 아주대학교 서형탁 교수 연구팀은 최대 97%까지 태양광·전류의 전환 효율을 향상시킨 수소 생산 광전극을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 유일한 아주대 박사과정생(제1저자)과 샨카라 칼라누르 아주대 교수(공동교신저자)가 참여했다.
수소는 연료로 사용될 때 대기오염 없이 물만 배출하는 청정에너지원이다. 그러나 수소를 만들기 위해 화석연료를 개질하는 과정에서 오히려 온실가스인 이산화탄소를 대량 배출하는 문제가 있다. 대안으로써 전기나 태양광을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하려는 시도가 활발하지만 효율이 매우 낮아 실용화가 어려웠다.
아주대 연구팀은 전극에서 태양광으로 생성된 전하의 이동을 촉진함으로써 광전류 전환 효율을 60% 수준에서 97%로 향상시켰다. 수소 생산 효율도 뛰어나 1cm²의 광전극을 이용해 시간당 3mg의 수소 기체가 발생했다.
기존 연구들은 태양광을 흡수해 전하를 잘 생성하는 소재 개발에 치우쳤으나 이 연구에서는 전하를 양극과 음극으로 효율적으로 분리하기 위해 니켈산화물을 적층한 것이 핵심적이다. 빛에 의해 생성된 전하의 손실도 최소화됐다.
기존 TiO₂/CdS 구조의 광촉매는 높은 효율을 보이며 많은 연구가 진행됐다. 반면 아주대 교수팀은 이러한 이종접합 구조에 적절한 나노구조의 물질을 접합하면 더 효과가 좋은 전하분리와 표면 코팅을 통한 물질의 부식에 대한 안정성이 더욱 증가할 수 있을 것이라 판단했다고 밝혔다.
또한 기존 TiO₂/CdS 광전극 연구에서는 주로 전극에서 빛을 받을 때 생성되는 전자 정공 쌍 자체를 늘리는데 중점을 기울였는데 이번 연구에서는 생성된 전자 정공 쌍을 사용하기 위해 광 전하를 효과적으로 분리하면서 투명한 니켈 산화물 박막을 형성해 전체적인 효율을 높일 수 있었다.
개발된 전극은 3가지 소재가 쌓인 텐덤(서로 보완적인 2개 이상의 광흡수 반도체를 수직으로 쌓는 것)구조다. 빛을 흡수해 양전하와 음전하를 생성하는 이산화티타늄 나노막대와 황화물 박막 위에 니켈산화물 박막이 증착됐다. 이는 단일 전극으로써 빛에 직접 반응하는 일체형이다.
서형탁 교수는 “저가의 니켈산화물을 전하 분리 보호막으로써 고효율 나노구조 광전극에 적용했고 최고 수준의 광전환 효율로 수소를 생산했다”라며 “추가적으로 장기 광화학반응 안정성을 개선해 실용화를 목표로 연구를 지속할 예정”이라고 밝혔다.
서 교수는 또한 “이번 연구가 실용화된다면 기존 화석연료를 이용해 수소를 생산하는 방법에서 탈피해 태양광과 물만을 이용해 환경에 아주 청정한 방법으로 수소를 생산할 수 있는 태양광 물 분해에 활용될 수 있다”라며 “이를 위해서는 장시간 반응에도 광 부식으로부터 광전극이 안정해야 하는 장시간 내구성이 개선돼야 한다”고 설명했다.
이번 연구 성과는 교육부·과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(기본연구, 중견연구)의 지원으로 수행됐으며 화학촉매분야 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)’에 3월16일 게재됐다.