작성일 : 20-11-11 19:27
UNIST 장지욱·양창덕·조승호 교수팀, 유기물 광전극 개발 성공 , 물에 햇빛 쪼여 수소 생산···화석연료 대체 '성큼'
 글쓴이 : happy
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물에 햇빛 쪼여 수소 생산···화석연료 대체 '성큼'

  •  길애경 기자
  •  
  •  승인 2020.11.09 17:20
 

UNIST 장지욱·양창덕·조승호 교수팀, 유기물 광전극 개발 성공
효율↑·안정↑ 불안정성 개선 ···생산효율, 기존 무기 반도체 광전극의 2배

유기 반도체 기반 광전극(photoanode) 구조 및 이를 이용한 광 전기화학적 물 분해(수소생산) 시스템 모식도.[사진= UNIST]
유기 반도체 기반 광전극(photoanode) 구조 및 이를 이용한 광 전기화학적 물 분해(수소생산) 시스템 모식도.[사진= UNIST]

화석연료를 대체하기 위한 친환경, 신재생 에너지 연구가 활발하다. 수소에너지를 기반으로 한 친환경 산업 연구도 활성화되며 상용화 단계에도 속속 접어들고 있다. 

그런 가운데 국내 연구팀이 태양광 수소 생산에 쓰이는 광전극의 효율은 높이고 가격은 낮추면서 물에 햇빛을 쪼여 수소를 얻는 시대가 성큼 앞당겨질수 있게 됐다. 

UNIST(총장 이용훈)는 장지욱·양창덕·조승호 교수팀 유기 반도체 물질을 물로부터 효과적으로 보호하는 '모듈시스템'을 이용해 성능과 안정성 모두 우수한 광전극을 개발했다고 9일 밝혔다. 

태양광 수소 생산에 쓰이는 광전극은 태양광 에너지를 흡수해 전하 입자를 만드는 반도체 물질로 이뤄진다. 생성된 전하 입자는 전극 표면에서 물과 반응해 수소와 산소를 만드는 것이 태양광 수소 생산의 원리다. 반응이 물속에서 일어나기 때문에 안정된 금속산화물 무기 반도체 광전극이 주로 연구됐다.

반면 유기 반도체 물질은 수소 생산 효율은 훨씬 높지만 물 안에서 빠르게 손상된다는 문제가 있어 광전극으로 쓰이지 못했다. 

공동연구팀은 액체금속(인듐-칼륨 합금), 니켈 포일, 그리고 니켈 포일 위에서 바로 자란 촉매(니켈-철 이중층 수산화물)로 구성된 모듈시스템을 이용해 물속에서 안정한 유기 반도체 광전극을 만들었다.

니켈 포일은 물이 유기반도체와 직접적으로 접촉하는 것을 막고 포일 위에 바로 성장시킨 촉매가 전체 반응을 돕는 원리다. 또 니케 포일과 유기반도체 사이를 메우는 물질이 액체 금속이라 물은 빈틈없이 차단하면서도 전하 입자의 흐름은 막지 않는다는 게 연구팀의 설명이다. 실제 이를 활용한 결과 광전극의 수소 생산 효율이 기존 무기 반도체 광전극의 2배 이상인 4.33%를 기록했다.

이번 결과로 이산화탄소 없는 수소 생산 기법의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

장지욱 교수"높은 효율을 갖는 유기물을 광전극에 적용할 수 있다는 가능성을 보인 연구"라며 "기존 효율 측면에서 한계가 있었던 태양광 수소 전환 기술의 상용화를 앞당길 수 있을  것"으로 기대했다.

양창덕 교수 "유기 반도체는 무기 반도체와 달리 무궁무진한 조합을 만들수 있어 효율이 더 높은 새로운 유기 반도체 물질을 계속 발굴 할 수 있다"며 "이 때문에 추가적 성능 향상이 기대된다"고 말했다.

조승호 교수"이번에 개발된 시스템은 하나의 모듈로 니켈 포일 위에 자란 촉매나 유기 반도체의 종류를 바꿔 쓸 수 있는 것이 장점"이라며 "현재 전하 이동을 돕는 새로운 촉매에 대한 연구를 계속 해 나가고 있다"고 설명했다.

이번 연구는 기후변화대응기술기초원천기술사업, 기본 (개인)연구 사업, 신진 연구 사업 등을 받아 이뤄졌다. 성과는 네이처 커뮤니케이션즈 2일자에 공개됐다. 유제민 UNIST 석박통합과정 대학원생, 이정호 UNIST 박사(現 퍼듀대학교 박사 후 연구원), 김윤서 UNIST 석박통합과정 대학원생이 공동 1저자로 참여했다.