태양광에서 수소 생산 앞당기나..광전극 효율 높였다

아주대·화학연 연구팀, 수소 전극소재 개발

[이데일리 강민구 기자] 흡수한 태양광을 이용해 물을 분해하고, 신재생 에너지원인 수소를 생산하는데 필요한 구리 비스무스 산화물 광전극 성능을 높일 가능성이 제시됐다.

용액공정으로 제조된 이종접합구조 광전극 모식도.(자료=한국연구재단)

한국연구재단은 조인선 아주대 교수, 신성식 한국화학연구원 박사 연구팀이 기존 대비 4배 이상 높은 태양광·수소 전환효율을 갖는 수소 전극소재를 개발했다고 29일 밝혔다.

태양광을 이용해 물을 산소와 수소로 분해해 수소를 얻는 과정에서 탄소를 전혀 배출하지 않는 방법이 주목받고 있다. 하지만 광전환 효율을 상용화 수준으로 높이는 데 한계가 있었다.

산소를 발생시키는 전극 소재에 대한 연구는 많이 이뤄졌지만, 수소를 발생시키는 전극 소재에 대한 연구는 상대적으로 부족했다.

연구팀은 저렴하면서 이론 광전류값이 높고 촉매특성이 우수해 최적의 수소전극 소재로 꼽히는 구리 비스무스 산화물에 주목했다. 이들 산화물을 전극으로 적용하기 위해 박막 형태로 만드는 과정에서 생겨나는 빈틈이나 불순물, 작은 박막입자에 따른 낮은 광전류 발생이 문제였다.

연구팀은 구리 비스무스 산화물 전구체가 코팅될 때, 용매 휘발과 전구체가 분해되는 속도를 제어하는 신규 용액공정을 개발하고, 이를 이용해 고품질의 구리 비스무스 산화물 박막을 합성했다.

그 결과 전기영동법이나 스프레이 코팅법, 졸겔법 등 기존 용액공정으로 만들어진 박막에 비해 전하 재결합을 낮춰 광전환효율을 약 4배 높였다.

특히 구리 비스무스 산화물 전극 아래 구리산화물 나노입자층을 쌓은 이종접합 구조의 광전극으로 표준 태양광 아래 3.5mA/㎠의 높은 광전류 값을 얻었다. 연구팀에 따르면 현재까지 학계에 알려진 모든 산화물 수소 전극 보다 높은 값이다.

조인선 교수는 “이번 연구를 통해 기존 기술 대비 4배 이상 높은 광전류특성을 얻었으며, 상용화를 위해 전극 안정성과 추가 특성을 높여야 한다”며 “이론 광전류 값에 근접한 특성과 장기적으로 안정성을 높이기 위한 추가적인 적층 소재 연구와 대면적화 기술 개발도 필요하다”고 했다.

연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘나노에너지(Nano Energy)’에 지난 4일자로 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)