광주과기원, 효율적 수소생산 위한 다중층 촉매 개발
광주과기원, 효율적 수소생산 위한 다중층 촉매 개발
  • 김창수 기자
  • 승인 2019.05.08
  • 댓글 0
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태양광 이용 효과적인 수소생산 가능
(가) 본 연구에서 다중 층 TMDs 박막합성을 위해 고안된 펄스드 레이저 증착법에 대한 모식도 및 제작된 박막 사진. (나) 효과적 수소생산을 위해 계단형 밴드구조로 고안된 다중 층 TMDs 박막 밴드 모식도.
(가) 본 연구에서 다중 층 TMDs 박막합성을 위해 고안된 펄스드 레이저 증착법에 대한 모식도 및 제작된 박막 사진. (나) 효과적 수소생산을 위해 계단형 밴드구조로 고안된 다중 층 TMDs 박막 밴드 모식도.

[투데이에너지 김창수 기자] 광주과학기술원(총장 김기선) 이상한 신소재공학부 교수 연구팀이 태양에너지를 이용해 물을 분해해 수소를 생산하는데 사용되는 광전극의 효율을 극대화시키는 다중층 촉매를 개발했다.

수소는 물 이외 다른 부산물을 만들지 않는 청정연료로 화석연료를 대체할 친환경 자원으로 꼽힌다.

이에 수소를 친환경적으로 생산하는 기술들이 뜨거운 관심을 받고 있으며 가장 대표적인 기술로는 태양에너지를 이용, 물을 분해해 수소를 생산하는 광전기화학 물분해가 있다.

광전기화학 물분해에서 핵심이 되는 광전극의 소재는 태양전지에 사용되는 실리콘이다.

하지만 실리콘 광전극의 경우 발생된 전자를 물로 전달하는 효율이 매우 낮아 백금과 같은 고가의 귀금속 촉매 사용이 필수여서 이 촉매를 대체하는 소재개발이 시급했다.

이상한 교수 연구팀은 귀금속 촉매를 대체할 것으로 기대되는 전이금속 디칼코게나이(Transition metal dicahlcogenides, TMDs)를 주목했다.

TMDs는 종이와 같이 얇은 2차원 층구조로 된 물질로써 투명성 및 우수한 촉매특성이 있어 적은 양으로도 실리콘 광전극의 효율을 매우 증대시킨다는 장점이 있다.

기존에는 단일 TMDs 촉매를 실리콘에 적용한 연구들이 진행되고 있었으나 이상한 교수 연구팀은 서로 다른 TMDs를 적층시켜 계단형 밴드구조를 이루는 다중층 TMDs 박막을 고안했다.

연구팀에 따르면 고안된 다중층 TMDs 촉매는 단일 TMDs 촉매보다 전자의 흐름이 개선돼 태양광으로부터 생성된 광전류를 단일 TMDs 촉매가 사용된 실리콘 광전극대비 동일 전압 하에서 3~20배 이상 증대시켰다.

특히 다중층으로 구성된 TMDs 박막 제작을 위해 연구팀은 실리콘 기판 위에 TMDs를 직접 증착할 수 있는 펄스드 레이저 증착법(타겟 물질을 높은 에너지의 펄스 레이저로 기화시켜 박막으로 증착하는 방법)을 이용했다.

따라서 일반적인 TMDs 공정에서 사용되는 개별증착 및 전사와 같은 추가공정이 불필요하게 돼 복잡한 기존 공정을 간소화할 수 있다.

이상한 교수는 “다중층 TMDs 박막형 촉매가 앞으로 친환경 수소생산에 크게 기여하기를 바란다”라며 “펄스드 레이저 증착법을 이용한 다중층 TMDs 합성법이 향후 친환경 촉매뿐 아니라 반도체·발광 소자 등 다양한 분야에도 적용되도록 노력할 것”이라고 밝혔다.

광주과기원 이상한 교수가 주도하고 서세훈 박사과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 미래소재디스커버리 사업 및 이공학 개인기초연구지원사업을 통해 수행됐다.


또한 지난 4월26일 재료분야 저명 학술지인 Advanced Science에 해당 논문이 게재됐다.


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