DGIST(대구경북과학기술원)에너지공학과 최종민 교수 연구팀이 국민대 화학과 김영훈 교수 연구팀과 공동으로 물 기반 저전압 공정을 활용해 태양광 수소 생산 효율을 높인 광전극을 개발했다.
16일 DGIST에 따르면, 이번 연구는 기존 200V 이상의 고전압과 독성 유기용매가 필요했던 소재 증착 공정을 4V의 저전압과 수용액 기반 공정으로 대체했다는 점에서 주목된다.
기존 수소 생산용 광전극에 널리 쓰이는 이산화티타늄(TiO₂)은 안정성이 높지만 자외선만 흡수해 태양광 활용에 한계가 있었다. 이를 보완하기 위해 빛 흡수 범위가 넓은 은·비스무트계 나노소재를 결합하는 연구가 진행됐지만, 기존 증착 방식은 높은 전압과 유기용매를 사용해야 한다는 문제가 있었다.
연구팀은 나노결정 표면의 분자를 물과 잘 섞이는 친수성 분자로 교체하고, 수용액에서 전기장을 이용해 입자를 전극에 부착하는 ‘수계 전기영동증착’ 공정을 적용해, 증착 전압을 기존 200V 이상에서 4V로 낮추고, 독성 유기용매 없이 3분 만에 전극을 제작했다. 고전압 공정에서 발생할 수 있는 표면 손상과 산화 부산물 형성도 줄였다.
성능 평가에서는 개발된 광전극의 광전류가 기존 단일 소재 전극보다 10배 이상 향상됐다.
태양광과 유사한 조건에서 광전류 밀도는 1㎠당 3.0mA를 기록했으며, 2시간 동안 빛을 조사한 뒤에도 초기 성능의 65.1%를 유지했다. 기체 분석을 통해 실제 수소 발생도 확인했다.
연구팀은 납과 카드뮴을 사용하지 않고 증착 과정에서 유기용매와 고전압 의존도를 낮췄다는 점에서 이번 기술이 친환경 수소 생산 공정의 발전에 기여할 것으로 기대하고 있다. 다만 실제 상용화를 위해서는 장시간 안정성과 대면적 전극 제작, 생산 비용 등을 추가로 검증할 필요가 있다.
최종민 교수는 “고전압과 유독성 용매에 의존하던 기존 공정의 한계를 넘어 물 기반 저전압 공정으로 높은 수소 생산 효율을 달성했다”며, “친환경 수소 생산 기술의 실용화를 앞당기는 밑거름이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업 및 과기정통부 이노코어 사업의 지원을 받아 수행됐다. DGIST 박진영 박사와 김해정 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 Small에 게재됐다.
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