이산화탄소 방출없는 청정수소 생산법 개발

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태양광·전류의 전환 효율을 향상시켜 에너지효율 극대화

박광신 기자 기자페이지 + 입력 2019-04-09 15:05:42

▲ 태양광 전류 전환효율을 향상시킨 수소 광전극 개발에 성공한 유일한(박사과정), 서형탁교수(가운데),샨카라 칼라누르교수 [사진=한국연구재단]

화석연료 고갈문제와 환경오염 피해를 줄일 수 있는 미래유망 청정에너지원인 수소 생산 기술이 한 단계 발전했다.

아주대학교 서형탁 교수 연구팀은 태양광·전류의 전환 효율을 향상시켜 에너지효율을 극대화한 수소 생산 광전극을 개발했다고 밝혔다.

현재 대표적인 수소 생산인 화석연료 개질 방식은 생산 시 수소중량의 9배 수준의 이산화탄소를 다량 배출하지만 반도체를 이용한 광전기화학 물 분해 방법은 이산화탄소를 방출하지 않는다. 대안으로써 전기나 태양광을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하려는 시도가 활발하지만 효율이 매우 낮아 실용화가 어려웠다.

연구팀은 전극에서 태양광으로 생성된 전하의 이동을 촉진함을 통해 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 이번 연구에서는 전하를 양극과 음극으로 효율적으로 분리하기 위해 니켈산화물을 적층한 것이 핵심이다. 빛에 의해 생성된 전하의 손실도 최소화했다.

개발된 전극은 3가지 소재가 쌓인 텐덤 구조로 빛을 흡수해 양전하와 음전하를 생성하는 이산화티타늄 나노막대와 황화물 박막 위에 니켈산화물 박막이 증착됐다. 단일 전극으로써 빛에 직접 반응하는 일체형이다.

금속 산화물 반도체 중 이산화티타늄은 전자 밴드 구조의 적절성·낮은 비용·광내식성 및 물 용액에서 높은 안정성으로 기존 물분해 수소생산 촉매로 가장 널리 연구된 물질이다. 하지만 넓은 밴드갭으로 인해 자외선 영역의 빛만을 흡수하고 광 생성된 전하의 열악한 전도도로 인한 문제가 있어 단일 사용이 힘들었다.

이번 연구는 기존 광전기화학적 물 분해 전극의 제조보다 효과적으로 수소 생산 효율을 증가 시킬 수 있는 방법을 제시해 기존 다른 여러 구조에도 응용이 가능하게 했다. 연구가 실용화 된다면 기존 화석연료를 이용하여 수소를 생산하는 방법에서 탈피하여 태양광과 물만을 이용하여 환경에 아주 청정한 방법으로 수소를 생산할 수 있는 태양광 물 분해에 활용될 수 있다.

연구 책임자인 서형탁 교수는 “저가의 니켈산화물을 전하 분리 보호막으로써 고효율 나노구조 광전극에 적용해 최고 수준의 광전환 효율로 수소를 생산했다”며 “추가적으로 장기 광화학반응 안정성을 개선하여 실용화를 목표로 연구를 지속할 예정이다”고 말했다.

이번 연구 성과는 교육부·과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(기본연구, 중견연구)의 지원으로 수행되었으며 화학촉매 분야 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)’에 3월 16일 게재되었다.

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박광신 기자 kspark@skyedaily.com 기자페이지 +