UNIST, 햇빛으로 수소 만드는 광전극 수명 100배 늘렸다

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 햇빛과 물로 수소를 생산하는 장치의 수명을 기존보다 100배 이상 늘리는 기술이 개발됐다. 물속에서 쉽게 손상되던 소재의 구조를 개선해 수소 생산 성능을 오랫동안 유지할 수 있도록 한 것이다.

울산과학UNIST 신소재공학과 조한희 교수팀은 성균관대 화학과 고두현 교수팀과 함께 유기 광전극의 내구성을 높이는 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

유기 광전극은 햇빛을 흡수해 물에서 수소를 만드는 장치다. 햇빛을 받은 반도체에서 전자가 이동하면서 수소를 생산하는 원리다.

특히 유기 광전극은 반도체 소재를 액체에 녹여 표면에 바르는 방식으로 만들 수 있어 대량 생산에 유리하다. 하지만 물속에서 작동하면 소재가 손상되면서 성능이 빠르게 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 전자를 받아들이는 소재를 바꿔 이 문제를 해결했다. 기존에 사용하던 작은 분자 형태의 소재인 'Y6' 대신 긴 사슬 형태의 고분자 소재인 'PY-IT'를 적용했다.

PY-IT는 전자가 수소 생산 촉매로 원활하게 이동하도록 돕는다. 전자가 전극 내부에 쌓여 소재가 손상되는 현상도 줄일 수 있다.

긴 사슬 형태의 구조는 물속에서 소재가 뭉치는 현상을 막는 데도 효과적이다. 기존 Y6는 물과 이온이 전극 내부로 들어오면 분자들이 뭉치기 쉽지만 PY-IT는 구조가 사슬 형태로 연결돼 있어 상대적으로 안정적인 상태를 유지한다. 이에 따라 전자가 이동하는 통로도 오랫동안 유지할 수 있다.

실험 결과 중성 용액(pH 7)에서 기존 전극은 수소 생산 성능을 나타내는 전류가 초기 최대치의 10% 수준으로 떨어지기까지 1.8분이 걸렸다. 반면 PY-IT를 적용한 전극은 192분 동안 성능을 유지했다. 기존보다 100배 이상 오래 작동한 셈이다.

산성 용액(pH 1)에서도 PY-IT를 적용한 전극은 기존 Y6 기반 전극보다 수명이 약 6배 길었다. 연구팀은 긴 사슬 구조가 물속에서도 소재의 형태를 유지하고 전자의 이동을 돕기 때문으로 분석했다.

이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지 '에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 지난 9월 1일 공개됐으며 연구의 중요성과 파급력을 인정받아 '핫 아티클(HOT Article)'로 선정됐다.

조한희 교수는 "유기 광전극이 물속에서 빠르게 성능을 잃는 원인을 밝히고 이를 줄일 수 있는 소재를 찾아 수명을 늘렸다"며 "소재의 구조 변화와 성능 저하 사이의 관계를 규명했다는 점에서 의미가 크다"고 말했다.

이어 "이번 연구에서 제시한 소재 선택 기준이 장시간 안정적으로 수소를 생산하는 유기 광전극 개발에 도움이 될 것"이라고 덧붙였다.

이번 연구에는 가천대와 스위스 로잔연방공과대(EPFL) 연구진도 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 우수신진사업 및 이노코어(InnoCORE) 사업 지원을 받아 진행됐다.


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