국내 연구진이 태양광을 이용한 그린 수소 생산성·효율을 세계 최고 수준으로 높일 수 있는 신기술을 개발했다.
10일 광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 이상한 교수가 한국과학기술원(KAIST) 서장원 교수 등과 함께 '광생성 캐리어' 손실을 억제하는 새로운 기술을 적용해 세계적인 수준의 효율과 수명을 실현한 '유기금속 할라이드 페로브스카이트 광전극'을 개발했다고 밝혔다.
태양광을 이용해 '그린수소'를 생산할 때는 광전기화학적 물분해 방법이 주로 이용된다. 광전극이 태양광을 흡수해 광생성 캐리어를 생성하고 이 광생성 캐리어가 물을 분해해서 그린수소를 생산하는 방식이다. 이때 광생성 캐리어가 손실되면 광전극의 효율이 떨어지게 된다.
연구팀은 광생성 캐리어 손실을 억제하는 두 가지 핵심기술을 적용해 세계적 수준의 '페로브스카이트 광전극'을 개발하는데 성공했다. 값비싼 백금 촉매 대신 저렴한 이황화몰리브덴 촉매를 사용하는 '페로브스카이트' 기반의 광전극은 기존 태양전지 재료에 비해 가볍고 유연하며 저렴해 차세대 광반도체로 주목받고 있다.
연구진이 적용한 첫번째 핵심기술은 단분자 유기물인 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드를 광전극의 산화주석 위에 도포해 광전극 내부에서 결함을 제어한 것이다. 그 결과 광생성 캐리어가 전기에너지로 전환되지 못하고 열로 방출되는 현상을 억제했다.
두번째로, 광전극의 니켈 포일 보호층에 합성된 니켈-철 이중층수산화물 촉매를 철이 도핑된 황화니켈촉매로 바꿔 광전극과 전해질 사이의 물분해 반응을 촉진해 내외부 광생성 캐리어의 손실을 효과적으로 억제했다. 그 결과 12.8%의 광전극 효율을 달성했을 뿐만 아니라 12시간 사용 후에도 효율이 10.2%가량만 감소하는 높은 안정성을 얻었다. 이 수치는 연구진의 2021년 시험결과 효율인 11.07%를 넘어선 세계 최고 수준이었다.
지스트 이상한 교수는 "기존 방식을 벗어나 '손실제어' 기술로 세계적 수준의 효율과 안정성을 갖춘 페로브스카이트 광전극 제작이 가능하다는 점을 밝혀냈다"며 "차세대 광전극에 적용해 그린 수소 생산성을 높이는 데 활용될 것으로 기대된다"고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 미래수소원천기술개발, 중견연구자 사업, ERC 선도연구사업과 한국화학연구원 기관주요사업의 지원을 받아 진행됐으며, 연구결과는 에너지 분야 글로벌 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'(Advanced Energy Materials)에 지난달 17일 게재됐다.
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