에너지 효율을 극대화한 수소 생산 광전극 개발

태양광의 전류 전환 효율을 최고 수준인 97% 달성

(그림1) TiO2나노막대/황화물/니켈산화물 광전극 제작 공정과 전자 밴드 구조 TiO2나노막대 위에 황화물(CdS)과 니켈산화물(NiOx)을 각각 수열 합성과 스퍼터 방식을 이용하여 균일하게 덮어씌워 이종 접합 구조를 형성했다. 이를 분광분석법으로 전자 밴드 구조를 측정한 결과, 효과적인 전자 정공의 분리를 보였다.

(그림2) TiO2나노막대/황화물/니켈산화물 전극의 (a)수소 생산 효율 및 (b)태양광-전류 변환효율 태양광 조사 하에 TiO2나노막대/황화물/니켈산화물 전극의 각 공정단계(구조)별 (a)수소 생산 효율, (b)광전류를 비교하였다. 황화물(CdS)과 니켈산화물(NiOx)을 증착함에 따라 광전류와 수소 생산효율이 각각 증가하였다.

태양빛을 이용한 수소 생산 기술이 실용화를 향해 한층 향상됐다.

아주대 서형탁 교수 연구팀이 최대 97%까지 태양광—전류의 전환 효율을 향상시킨 수소 생산 광전극을 개발했다고 한국연구재단이 9일 밝혔다.

이 연구는 유일한 박사과정 학생(아주대/제1저자)과 샨카라 칼라누르 교수(아주대/ 공동교신저자)가 참여했다.

수소는 연료로 사용될 때 대기오염 없이 물만 배출하는 청정에너지원이다. 그러나 수소를 만들기 위해 화석연료를 개질하는 과정에서 오히려 온실가스인 이산화탄소를 대량 배출하는 문제가 있다. 대안으로써 전기나 태양광을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하려는 시도가 활발하지만, 효율이 매우 낮아 실용화가 어려웠다.

연구팀은 전극에서 태양광으로 생성된 전하의 이동을 촉진함으로써, 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, 이 연구에서는 전하를 양극과 음극으로 효율적으로 분리하기 위해 니켈산화물을 적층한 것이 핵심적이다. 빛에 의해 생성된 전하의 손실도 최소화되었다.

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

텐덤(tandem) 구조는 서로 보완적인 두 개 이상의 광흡수 반도체를 수직으로 쌓는 구조를 말한다.

서형탁 교수는 “저가의 니켈산화물을 전하 분리 보호막으로써 고효율 나노구조 광전극에 적용하였고, 최고 수준의 광전환 효율로 수소를 생산했다”라며, “추가적으로 장기 광화학반응 안정성을 개선하여 실용화를 목표로 연구를 지속할 예정”이라고 밝혔다.

이 연구 성과는 교육부·과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(기본연구, 중견연구)의 지원으로 수행되었다.

화학촉매 분야 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)’에 3월 16일 게재되었다.

[e-mail] 조석장 기자