태양광에서 수소 생산 '고성능 광전극' 실마리

태양광에서 수소 생산, 앞당길 광전극 기술 개발
구리 비스무스 산화물 박막 전극 제조

[아시아경제 황준호 기자] 회색 수소를 그린 수소로 바꾸기 위한 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 연구진은 태양광을 이용해 물을 수소와 산소로 분리하는데 사용되는 고성능 광전극 소재를 개발했다. 기존 광전극보다 수소 생산능력을 4배 이상 높일 수 있는 소재로, 전극 안정성, 대면적화 등을 해결하면 태양광에서 수소를 얻는 그린 수소 시대를 열 핵심 기술이 될 수 있을 것으로 예상된다.

한국연구재단은 조인선 아주대학교 교수, 신성식 한국화학연구원 박사의 연구팀(제1저자 서갑경, 김빛나)이 기존 대비 4배 이상 높은 태양광-수소 전환효율을 갖는 수소 전극소재를 개발했다고 30일 밝혔다. 관련 연구 성과는 국제 학술지인 나노에너지에 최근 실렸다.

물 분해 수소 생산 효율 4배 높은 광전극

연구팀은 발상의 전환을 통해 이 소재를 개발했다. 태양광으로 물을 수소와 산소로 분리하는데 있어 기존 연구는 산소를 얻기 위한 광산화극 개발에 집중해왔는데, 연구팀은 수소 생산용 광환원극(수소 전극)을 연구했다. 특히 연구팀은 저렴하면서 이론 광전류값이 높고 촉매특성이 우수해 최적의 수소전극 소재로 꼽히는 구리 비스무스 산화물에 주목했다. 구리 비스무스 산화물은 광전극에 활용하기 좋은 성질을 지녔지만 박막 품질이 낮아 전하의 이동이 어려워 광전류값을 낮은 한계가 있는 소재다.

연구팀은 구리 비스무스 산화물 전구체가 코팅될 때, 용매 휘발과 전구체(화학시료가 녹아 있는 코팅액)가 분해되는 속도를 제어하는 신규 용액공정을 개발하고 이를 이용해 고품질의 구리 비스무스 산화물 박막을 합성했다. 이를 통해 치밀한 미세구조를 가진 큰 입자를 성장 시킬 수 있었고, 박막화 과정에서 생길 수 있는 빈틈이나 불순물도 크게 줄였다.

상용화 위해서는 대면적화 기술 필요

조인선 아주대 교수

연구팀 측은 "전기영동법이나 스프레이 코팅법, 졸겔법 등 기존 용액공정으로 만들어진 박막에 비해 전하 재결합을 크게 낮춰 광전환효율이 4배 이상 올라갔다"고 발혔다.

또한 연구팀은 구리 비스무스 산화물 전극 아래 구리산화물 나노입자층을 적층한 이종접합 구조의 광전극으로 표준 태양광 아래 3.5 mA/cm2의 높은 광전류 값을 얻었다. 이는 현재까지 보고된 모든 산화물 수소 전극 보다 높은 값이다.

연구팀 관계자는 "이 소재의 상용화를 위해서는 추가적인 효율 향상과 안정성 향상과 대면적화 기술이 필요한 만큼 연구팀은 관련 연구를 지속할 계획"이라고 설명했다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr