햇볕으로 물에서 수소 만드는 효율 2배로

UNIST 장지욱·양창덕·조승호 교수팀 
유기물 광전극의 물속에서 손상문제 해결
기존 무기 광전극 소재보다 효율 2배 높아

물에서 불안정한 유기 반도체 물질을 광전극에 이용하기 위해 니켈(Nickel)포일, 니켈-철 이중층수산화물 촉매(NiFe-LDH), 갈륨-인듐 액체 금속(Eutectic Metal)으로 구성된 인캡슐레이션 구조를 만들었다. 니켈-철 이중층수산화물 촉매는 니켈 포일 위에서 바로 성장시켰다. 유기반도체 물질로 물이 침투하는 것을 막고 전하가 전극표면으로 잘 전달돼 표면에서 물 산화반응이 잘 일어난다. 물 산화반응이 활성화되면 수소 생산 효율이 높다. UNIST 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 물에 햇볕을 쪼여 수소를 만드는 유기 반도체 기반의 광전극을 안정적이면서도 효율이 높게 개발했다. 연구진은 기존 무기 반도체 기반 광전극 보다 수소 생산 효율이 2배 이상 높을 뿐만 아니라 대면적 제조가 가능해 가격 측면에서도 유리하다고 설명했다.

울산과학기술원(UNIST)은 장지욱·양창덕·조승호 교수팀이 유기 반도체 물질을 물로부터 효과적으로 보호하는 '모듈시스템'을 이용해 광전극을 개발했다고 9일 밝혔다. 새로운 광전극의 수소 생산 효율은 기존 무기 반도체 광전극의 2배 이상인 4.33%를 기록했다.

에너지화학공학과 장지욱 교수는 "높은 효율을 갖는 유기물을 광전극에 적용할 수 있다는 가능성을 보인 연구로 기존에 효율 측면에서 한계가 있었던 태양광 수소 전환 기술의 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 기대했다.

태양광 수소 생산에 쓰이는 광전극은 태양광 에너지를 흡수해 전하 입자를 만드는 반도체 물질로 이뤄졌다. 생성된 전하 입자가 전극 표면에서 물과 반응해 수소와 산소를 만드는 것이 태양광 수소 생산의 원리다. 반응이 물속에서 일어나기 때문에 안정한 금속산화물 무기 반도체 광전극이 주로 연구됐다. 반면 유기 반도체 물질은 수소 생산 효율은 훨씬 높지만 물 안에서 빠르게 손상된다는 문제가 있어 광전극으로 쓰이지 못했다.

연구진은 인듐-칼륨을 합한 액체금속, 니켈포일, 그리고 니켈 포일위에서 니켈-철 이중층 수산화물이 바로 자란 촉매로 구성된 모듈시스템을 이용해 유기 반도체 광전극을 만들었다. 니켈포일은 물이 유기반도체와 직접적으로 접촉하는 것을 막고, 포일 위에 바로 성장시킨 촉매가 전체 반응을 돕는다. 또 니켈포일과 유기반도체 사이를 메우는 물질이 액체 금속이라 물은 빈틈없이 차단하면서도 전하 입자의 흐름은 막지 않는다.

UNIST 장지욱 교수, 양창덕 교수, 김윤서 연구원, 유제민 연구원이 물에 햇볕을 쪼여 수소를 만드는데 필요한 유기 반도체 기반의 고효율·고안정성 광전극을 개발했다(좌상단부터 시계방향). UNIST 제공

에너지화학공학부 양창덕 교수는 "유기 반도체는 무기 반도체와 달리 무궁무진한 조합을 만들 수 있어 효율이 더 높은 새로운 유기 반도체 물질을 계속 발굴 할 수 있에 추가적 성능 향상이 기대된다"고 말했다. 신소재공학과 조승호 교수는 "현재 전하 이동을 돕는 새로운 촉매에 대한 연구를 계속 해나가고 있다"고 말했다.

유제민 UNIST 석박통합과정 대학원생, 퍼듀대학교 이정호 박사후연구원, 김윤서 UNIST 석박통합과정 대학원생이 공동 1저자로 참여한 이번 연구 성과는 '네이쳐 커뮤니케이션즈' 2일자로 공개됐다.

[e-mail] 김만기 기자