BiVO₄ 결정 방향 제어로 글리세롤 고부가 화학원료 전환
결정학적 배향에 따른 BiVO4 광전극의 광전기화학 성능 비교. (그래픽=GIST 제공) [email protected]
[광주=뉴시스]이창우 기자 = 광주과학기술원(GIST)은 태양에너지를 이용해 산업 부산물인 글리세롤을 고부가가치 화학원료로 전환하는 광전극의 성능을, 물질을 바꾸지 않고 '결정 배열 방향'만 제어해 최대 3배 이상 성능을 높이는 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.
GIST 신소재공학과 이상한 교수 연구팀은 비스무스 바나데이트(BiVO₄) 광전극의 결정학적 배향을 정밀하게 조절해 글리세롤 산화 반응에서 전하 전달 효율과 생성물 생산성을 동시에 크게 향상하는 데 성공했다.
연구팀은 단결정 기판 위에 펄스 레이저 증착법(PLD)을 적용해 서로 다른 결정 방향을 가진 BiVO₄ 박막 광전극을 제작한 뒤 동일한 조건에서 광전기화학 성능을 비교했다.
그 결과 특정 결정 방향인 '(0k0)' 배향의 광전극이 '(00l)' 배향 전극보다 전하 이동과 반응 효율이 현저히 우수한 것으로 나타났다.
실험 결과 (0k0) 방향 광전극은 광전류 밀도 2.51밀리암페어(mA)를 기록해 다른 방향 전극보다 약 2.4배 높았고, 글리세릭산·글리콜산·포름산 등 고부가 화합물의 생성 속도도 ㎡당 시간당 81.4밀리몰(mmol)로 최대 3.2배 향상됐다.
연구팀은 결정 방향에 따라 전자와 정공이 재결합하지 않고 효율적으로 분리·이동하는 경로가 달라지면서 반응 효율 차이가 발생한 것으로 분석했다. 이를 통해 동일한 화학 조성의 소재라도 결정 배열만으로 성능을 크게 바꿀 수 있음을 실험적으로 입증했다.
(왼쪽부터) GIST 신소재공학과 이상한 교수, 이민주 석사과정생, 황준범 박사과정생. (사진=GIST 제공) [email protected]
이번 연구는 광전극의 조성이나 복잡한 구조를 변경하지 않고, 결정학적 배향이라는 근본적 요소만으로 광전기화학 반응 성능을 개선할 수 있음을 보여준 사례로 평가된다.
이상한 교수는 "이번 연구는 광전극의 결정학적 배향에 따라 광전기화학적 글리세롤 산화 성능이 어떻게 달라지는지를 세계 최초로 체계적으로 규명한 사례"라며 "폐기물을 고부가가치 화합물로 전환하는 태양에너지 기반 기술의 새로운 설계 기준을 제시했다는 점에서 의미가 크다"고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 국제학술지 '머티리얼스 호라이즌스(Materials Horizons)' 온라인에 지난달 13일 게재됐다.
기술이전 관련 협의는 GIST 기술사업화센터로 문의하면 된다.
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