태양광을 이용한 친환경 수소 생산을 더욱 안정적이고 경제적으로 만드는 기술이 개발됐다. 수소 생산의 핵심 부품인 광전극 전부를 유기물로 제작해, 기존 유기광전극의 부식과 박리 문제를 극복한 기술이다.
울산과학기술원(UNIST) 탄소중립대학원 김진영 교수팀은 에너지화학공학과 이재성 교수팀, 고려대학교 화학과 우한영 교수팀과 함께 금속 산화물을 일체 사용하지 않는 ‘전 유기 광산화전극(all-organic photoanode)’을 개발했다고 28일 밝혔다.
태양광 수소 생산은 물속에 담긴 광전극에 햇빛을 쬐면, 전극 표면에서 전기화학 반응이 일어나 물이 수소와 산소로 분해되는 원리를 이용한 기술이다. 이 과정에서 수소와 산소를 효율적으로 만들기 위해 각각 산성, 염기성 용액이 사용된다. 그러나 보통의 유기광전극에서 사용되는 금속산화물 전자수송층은 산성이나 염기성 수용액에서 쉽게 부식되거나 유기물 층으로부터 박리 돼 안정성이 떨어졌다.
연구팀은 n형 자가조립 단분자막(SAM)과 p형 고분자 전해질층을 이용한 전 유기물 광전극을 개발해 이 문제를 해결했다. 금속산화물을 대체한 유기물인 n형 단분자막은 기판과 유기 광활성층간의 접착력을 강화하고 전자 전달 효율을 극대화한다. 또 광전극 표면에 입혀진 p형 고분자 전해질층은 정공만 선택적으로 전달하며, 표면의 친수성을 높여 수용액과의 접촉 효율을 향상 시켰다.
개발된 유기 광전극은 아스코르브산(L-ascorbic acid)을 넣은 산성 환경에서 7.92㎃/㎠의 높은 광전류 밀도를 기록했다. 광전류 밀도는 수소 생산 속도와 직결되는 지표다. 또 별도의 보호막이나 금속 캡슐화 없이도 2시간 동안 초기 성능의 90% 이상을 유지해 뛰어난 안정성을 입증했다.
김진영 교수는 “이번 연구를 통해 기존 광전극이 갖고 있던 pH 민감성과 박리 문제를 근본적으로 해결했다”며 “특히 n형 자가조립 단분자막을 광산화전극에 적용한 것은 이번이 처음으로, 전극 전면을 유기물로 구성한 완전 유기 구조의 실용성을 입증한 사례”라고 설명했다. 이어 “친환경 수소 생산뿐 아니라 다양한 유기 기반 광전기화학 소자 개발에도 널리 활용될 것”이라고 덧붙였다.
이번 연구는 UNIST 엽지우 박사, 이진욱 박사와 고려대학교 손재훈 석·박사 통합과정 연구원이 제 1저자로 참여했다.
연구 결과는 국제학술지 에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters) 에 3월 14일 출판됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단 (NRF)의 지원을 받아 이루어졌다.
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