햇빛만으로 수소 생산…UNIST, 유기 광전극 세계 최고 효율 달성

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 외부 전원 없이 햇빛만으로 물에서 수소를 생산하는 유기 광전극을 개발했다.

유기 반도체 기반 광음극 가운데 세계 최고 수준인 7.9%의 태양광 수소 전환 효율을 달성하고 대면적 모듈의 야외 실증에도 성공해 그린수소 생산 기술의 상용화 가능성을 높였다.

UNIST 탄소중립대학원 김진영 교수와 에너지화학공학과 이재성·임한권 교수팀은 빛을 흡수하는 유기 반도체 층 두 개를 쌓고 새로운 연결 소재를 적용한 '탠덤 광전극'을 개발했다고 26일 밝혔다.

연구 결과는 환경·에너지 촉매 분야 국제학술지 '어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런먼트 앤드 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)'에 게재됐다.

태양광 물 분해는 반도체가 빛을 흡수해 발생시킨 전자를 촉매로 이동시켜 수소를 생산하는 기술이다. 유기 반도체는 용액에 녹여 바르는 방식으로 가공할 수 있어 대면적 전극 제작에 유리하지만 단일 흡수층에서 얻는 전압만으로는 물을 분해하기 어려워 외부 전원이 필요했다.

연구팀은 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 반도체 층 두 개를 결합해 필요한 전압을 확보했다. 특히 산화몰리브덴과 유기 분자 '2PACz'를 결합한 새로운 연결 소재를 적용해 기존 소재의 산성 및 습기 흡수로 인한 부식과 성능 저하 문제를 개선했다.

실험 결과 0.56㎠ 크기의 광전극은 외부 전원 없이 태양광 수소 전환 효율 7.9%를 기록했다. 10시간 동안 작동한 뒤에도 초기 광전류의 86%를 유지해 기존 연결 소재를 적용한 광음극보다 안정성이 높은 것으로 나타났다.

연구팀은 320㎠ 크기의 대면적 모듈을 제작해 자연광 아래에서 외부 전압 없이 수소를 생산하는 데도 성공했다. 수소 발생 전극의 백금 함량을 중량 기준 약 0.1%로 줄이고 산소 발생 전극에는 니켈·철·코발트 기반 촉매를 적용했다. 두 전극이 같은 수산화칼륨 용액에서 작동하도록 설계해 별도의 이온교환막도 필요하지 않도록 했다.

경제성 분석에서는 현재 효율을 기준으로 하루 10톤의 수소를 생산하는 설비의 생산비가 ㎏당 9.26달러로 추산됐다. 향후 효율을 16%까지 높이고 하루 생산량을 30톤으로 확대하면 생산비를 ㎏당 4.26달러까지 낮출 수 있을 것으로 분석됐다.

김진영 교수는 "유기 반도체를 쌓은 전극에서 성능을 떨어뜨리던 연결층의 불안정성과 부식 문제를 해결한 연구"라며 "용액으로 가공할 수 있는 유기 반도체의 장점을 살려 그린수소 생산 비용을 낮추는 데 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 김재형·이연정 연구원과 다르메쉬 한소라 박사·문종아 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 및 UNIST의 지원을 받아 수행됐다.


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