태양빛을 이용한 수소 생산 기술이 실용화를 향해 한층 향상됐다. 한국연구재단은 아주대학교 서형탁 교수 연구팀은 최대 97%까지 태양광—전류의 전환 효율을 향상시킨 수소 생산 광전극을 개발했다고 밝혔다.
수소는 연료로 사용될 때 대기오염 없이 물만 배출하는 청정에너지원이다. 그러나 수소를 만들기 위해 화석연료를 개질하는 과정에서 오히려 온실가스인 이산화탄소가 대량으로 배출되는 문제가 있다. 대안으로 전기나 태양광을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하려는 시도가 활발하지만, 효율이 매우 낮아 실용화가 어려웠다.
연구팀은 전극에서 태양광으로 생성된 전하의 이동을 촉진함으로써, 광전류 전환 효율을 60% 수준에서 97%로 향상시켰다. 수소 생산 효율도 뛰어나 1㎠의 광전극을 이용해 시간당 3㎎의 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.
개발된 전극은 3가지 소재가 쌓인 텐덤 구조이다. 빛을 흡수해 양전하와 음전하를 생성하는 이산화티타늄 나노막대와 황화물 박막 위에 니켈산화물 박막이 증착됐다. 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.
이 연구 성과는 교육부·과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행됐다. 화학촉매 분야 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)’에 3월 16일 게재됐다.
TiO2 나노막대/황화물/니켈산화물 광전극 제작 공정과 전자 밴드 구조
TiO2 나노막대 위에 황화물(CdS)과 니켈산화물(NiOx)을 각각 수열 합성과 스퍼터 방식을 이용해 균일하게 덮어씌워 이종 접합 구조를 형성했다. 이를 분광분석법으로 전자 밴드 구조를 측정한 결과, 효과적인 전자 정공의 분리를 보였다.
TiO2 나노막대/황화물/니켈산화물 전극의 (a)수소 생산 효율 및 (b)태양광-전류 변환효율
태양광 조사 하에 TiO2 나노막대/황화물/니켈산화물 전극의 각 공정단계(구조)별 (a)수소 생산 효율, (b)광전류를 비교했다. 황화물(CdS)과 니켈산화물(NiOx)을 증착함에 따라 광전류와 수소 생산효율이 각각 증가했다.
★ 연구 이야기 ★
Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 기존 TiO2/CdS 구조의 광촉매는 높은 효율을 보이며 여러 연구가 진행됐다. 이러한 이종접합 구조에 적절한 나노구조의 물질을 접합하면 더 효과가 좋은 전하분리를 기대할 수 있고 표면 코팅으로 인해 통한 물질의 부식에 대한 안정성이 더욱 증가할 수 있을 것이라고 예상했기 때문에 연구를 진행했다.
Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. TiO2/CdS와 맞는 밴드구조를 가질 수 있는 다양한 물질을 선정하고 물질 후보군 선정 후 이를 각각 RF 마그네트론 스퍼터를 증착해 효율을 비교했다.
Q. 기대효과는 무엇인가.
A. 이 연구를 통해 기존 광전기화학적 물 분해 전극의 제조에 있어 효과적으로 수소 생산 효율을 증가시킬 수 있는 방법을 제시했고 기존 다른 여러 구조에도 응용이 가능하다. 이를 통해 태양광 물 분해 수소생산의 실용화에 사용해 청정한 수소 생산 기술 발전에 이바지할 수 있다.
Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 이전 TiO2/CdS 광전극 연구에서는 주로 전극에서 빛을 받을 때 생성되는 전자 정공 쌍 자체를 늘리는데 중점을 기울였는데 이 연구에서는 생성된 전자 정공 쌍을 사용하기 위해 광 전하를 효과적으로 분리하면서 투명한 니켈 산화물 박막을 형성해 전체적인 효율을 높일 수 있었다.
Q. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나.
A. 이 연구가 실용화된다면 기존 화석연료를 이용해 수소를 생산하는 방법에서 탈피할 수 있으며, 태양광과 물만을 이용해 환경에 아주 청정한 방법으로 수소를 생산할 수 있는 태양광 물 분해에 활용될 수 있다. 이를 위해서는 장시간 반응에도 광 부식으로부터 광전극이 안정해야 하는 장시간 내구성이 개선돼야 한다.
