물과 햇빛만으로 수소를 생산할 수 있는 길이 열렸다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장지욱·장성연 교수팀은 부식을 차단한 금속 황화물(황화납) 양자점 기반 태양광 수소생산 광전극(Photoanode)을 개발했다고 29일 밝혔다.
태양광 수소 생산은 물속(전해질)에 담긴 광전극에 햇빛을 쪼여 물을 수소와 산소로 분해하는 기술이다. 광전극의 반도체 물질층이 빛을 받아 만든 전하 입자가 물을 분해하는 전기화학 반응을 일으켜 수소가 나오는 원리다.
이때 광전극의 반도체층 성능이 중요한데, 고성능 소재인 금속 황화물은 물에 잠긴 채 햇빛을 받으면 산화·분해돼 버린다. 이를 막기 위해서는 금속 황화물 대신 분해되는 고가의 ‘희생제’를 지속적으로 투입돼야 해, 태양광 수소생산의 경제성을 낮추는 주요 요인이었다.
연구팀은 두 종류의 금속으로 황화물 표면을 감싸는 방식으로 희생제 없이도 뛰어난 내구성을 갖춘 광전극을 개발했다. 니켈과 필드 합금 금속이다. 양자점 표면을 감싼 니켈 호일은 물리적 보호막을 형성하며, 액체금속인 필드 금속은 니켈 호일과 양자점 사이에 생기는 미세한 틈새 밀봉해 수분(전해질) 침투를 원천 차단했다. 니켈 호일은 물 분해 반응을 돕는 촉매 역할도 해 효율을 높일 수 있다.
또 장시간 햇빛에 노출되면 광전극 내부로 침투한 자외선이 전자전달층과 반응해 광전극을 노화시킨다는 사실을 새롭게 밝혀내고, 이를 예방할 수 있는 역 적층 구조를 광전극에 적용했다. 자외선을 잘 흡수하는 황화물 반도체층이 빛을 먼저 맞도록 광전극 내부 적층 순서를 바꿈으로써, 자외선이 취약한 내부 전자전달층은 직접 자외선에 노출되지 않도록 한 것이다.
개발된 광전극은 희생제가 없는 일반 수용액 환경(1.0 M NaOH 전해질)에서도 세계 최고 수준인 18.6 mA/cm²의 광전류 밀도를 기록했으며, 24시간 연속 운전 후에도 초기 성능의 약 90%를 유지했다. 이는 희생제를 쓰는 기존 황화물 광전극 성능과 견줄 만한 수준이다. 또 자외선 차단 설계가 적용된 역 적층 광전극의 경우에는 100시간 넘게 성능저하 없이 작동했다.
연구팀은 "금속 황화물은 태양광 수소 생산 성능 측면에서 가장 이상적인 소재임에도 불구하고, 부식을 막기 위해 값비싼 희생제를 지속적으로 투입해야만 하는 한계 있었다"며 "이번 기술은 희생제 없이도 미국 에너지부(DOE)가 제시한 상용화 기준(20mA/cm²)에 버금가는 효율을 냄과 동시에 내구성까지 확보해 차세대 수소 생산 기술의 상용화를 앞당기는 발판이 될 것"이라고 말했다.
이번 연구는 양화영, 무히불라 알 무바록(Muhibullah Al Mubarok), 김사랑, 이수호 연구원이 제1저자로 참여했으며, 연구 수행은 한국연구재단(NRF) 과제 및 과학기술정보통신부 InnoCORE 프로그램 등의 지원을 받아 이뤄졌다.
연구결과는 네이처 포트폴리오의 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 12월 11일자에 게재됐다.
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