햇빛으로 수소 뽑아내는 성능 4배 높였다

아주대 조인선 교수팀, 수소전극소재 개발
표준 햇빛으로 3.5㎃/㎠ 광전류 값 얻어내

수산화나트륨(NaOH) 전해질에 담겨있는 구리 비스무스 산화물(파란색 전극)은 태양광을 흡수해 전자·정공을 생성, 전자는 전극 표면에서 물과 반응해 수소를 생산하고 정공은 백금 전극(초록색 전극)으로 이동돼 산소기체를 발생시킨다. 아주대 조인선 교수 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 햇빛으로 물에서 수소를 뽑아낼때 사용하는 소재를 개발했다. 이 소재를 이용해 기존보다 4배 이상의 효율을 얻었다고 연구진은 설명했다.

아주대 조인선 교수는 한국화학연구원 신성식 박사팀과 함께 태양광으로 수소 생산하는 전극소재를 개발했다고 29일 밝혔다.

연구진은 "유리기판 위에 투명전극, 구리산화물, 구리비스무스산화물을 차례로 쌓아 광전극을 만든 결과 3.5㎃/㎠의 높은 광전류 값을 얻었다"고 설명했다. 이는 현재까지 보고된 모든 산화물 수소 전극 보다 높은 값이라고 연구진이 말했다.

연구진은 저렴하면서 광전류값이 높고 촉매특성이 우수해 최적의 수소전극 소재로 꼽히는 구리 비스무스 산화물에 주목했다.

산화물을 전극으로 적용할때 얇은 막, 즉 박막 형태로 만드는 과정에서 생겨나는 빈틈이나 불순물 그리고 작은 박막입자로 인한 낮은 광전류가 문제였다.

치밀하고 입계크기가 커 빛을 흡수해 생성된 전자·정공들의 재결합을 막아 기존 대비 2배 이상 높은 광전류를 생산할 수 있다. 또한 구리 산화물 박막과의 이종접합을 통해 표준 태양광 하에서 3.5㎃/㎠의 높은 광전류값을 얻었고, 이는 현재까지 보고된 모든 복합산화물 기술보다 높은 값이다. 아주대 조인선 교수 제공

연구진은 구리 비스무스 산화물이 만들어지는 속도를 조절하는 새로운 용액공정을 개발하고 이를 이용해 고품질의 구리 비스무스 산화물 박막을 합성했다. 산화물 결정입자의 생성속도를 제어해 치밀한 미세구조를 만드는 한편 입자 크기를 크게 성장시켰다. 박막화 과정에서 생길 수 있는 빈틈이나 불순물도 크게 줄일 수 있었다.

그 결과 전기영동법이나 스프레이 코팅법, 졸겔법 등 기존 용액공정으로 만들어진 박막에 비해 전하 재결합을 크게 낮춰 광전환효율이 4배 가까이 향상됐다.

핵심은 전처리 공정에서 용매의 증발속도와 전구체 분해속도를 제어, 결정 입자의 밀도와 이들의 성장 속도를 제어한 것이다. 기존 방식들이 주로 너무 낮거나 빠른 속도를 이용한 것과 차별화한 것이다.

연구진은 "상용화를 위해서는 추가적 효율 향상과 안정성 향상, 큰 면적으로 만드는 기술이 필요한 만큼 관련 연구를 지속할 계획"이라고 밝혔다.

한국연구재단은 이번 연구결과가 에너지 분야 국제학술지 '나노에너지'에 지난 4일 게재됐다고 밝혔다.

투명전극(FTO) 위에 구리산화물 층을 먼저 입히고 그 위에 구리 비스무스 산화물층(붉은색으로 표시)을 만들었다. 각 층의 두께를 최적화함으로써 기존 구리 비스무스 산화물 대비 4배 이상 높은 광전류 값을 얻었다. 아주대 조인선 교수 제공

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monarch@fnnews.com 김만기 기자

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