GIST 이상한 교수팀, 태양광 활용한 물 분해 수소 생산용 고내구성 광전극 개발

내구성 있는 광전극 제작 가능…광전극 안정성 높일 수 있을 것 기대

GIST(지스트, 총장 김기선) 신소재공학부 이상한 교수 연구팀이 태양광을 활용해 수소를 생산하는 광전극의 내구성을 향상시키는 기술을 개발했다. 이번 연구성과는 고밀도를 갖는 광전극 박막 증착법이 태양광을 이용한 지속적인 물 분해 수소 생산 기술에 기여할 것으로 기대된다.

차세대 에너지원으로 주목받고 있는 수소를 생산하기 위해서는 태양광을 활용해 물 분자(H2O)를 수소 분자(H2)와 산소 분자(O2)로 분해해 친환경적으로 수소를 생산할 수 있는 광전기화학전지 시스템이 이용된다.

광전기화학전지 시스템에서 광전극은 수소(H2), 산소(O2) 분자를 발생시키는 중요한 역할을 한다. 특히 효율적이고 안정적인 물 분해를 위해서는 태양광을 통해 생성된 광전극 내의 전하들이 재결합이나 다른 이온들과의 화학 반응없이 물 분자의 계면까지 원활하게 이동하는 것이 중요하다.

수소 분자(H2)를 발생시키는 광음극으로써 각광 받고 있는 대표적인 반도체 재료로는 지구상에 풍부하며 넓은 파장의 태양에너지를 효과적으로 흡수할 수 있는 구리 기반 금속 산화물이 있다. 구리 기반 금속 산화물을 이용한 광음극 박막 제작은 주로 용액 공정이 이용되는데, 용액 공정은 박막의 결정화를 위해서 후열처리가 반드시 필요하다.

이때 용액 공정으로 제작된 광음극 박막 내에는 전하 이동 흐름을 방해하는 구조적 결함이 발생할 확률이 높아 광부식현상에 의한 광음극의 내구성이 저하된다. 따라서 기존에는 광음극의 광부식현상을 막기 위해 광음극 표면에 보호층 코팅 또는 값 비싼 촉매의 사용이 필수적이다. 이러한 단점을 해결하기 위해서는 광전극 박막의 품질을 향상 시킬 수 있는 박막 증착 공정이 필요하다.

연구팀은 대표적 물리적 증착 방법인 펄스드 레이저 증착법을 이용해 고밀도 이종 구조(구리 비스무스 산화물(CuBi2O4)과 니켈 산화물(NiO)) 광음극 박막을 제작했다. 고안된 고밀도 이종 구조 광음극 박막의 태양광을 이용한 광전류 밀도는 단일층 구리 비스무스 산화물 광음극 광전류 밀도에 비해 1.5 배 향상됐다. 특히 고밀도 이종 구조 광음극 박막은 암전류 증가 없이 8 시간 이상 안정적으로 광전류 밀도가 유지(초기 광전류 밀도의 약 80%) 되는 것을 확인했다. 이러한 장시간 안정성은 기존에 보고된 용액 공정으로 제작된 구리 비스무스 산화물 광음극의 안정성 테스트 시간(2~3시간) 보다도 약 3배 이상 지속된 시간이다.

이상한 교수는 “광전기화학전지 물 분해를 통해 수소 생산의 실용화를 위해서는 광전극의 장시간 안정성이 요구되는데, 본 연구에서 적용한 펄스드 레이저 증착법과 같은 물리적 기상 증착법을 이용하면 내구성 있는 광전극 제작이 가능하고, 광전극의 안정성을 높일 수 있을 것으로 기대한다” 고 말했다.

GIST 이상한 교수가 주도하고 GIST 이종민 박사과정 및 윤홍지 석사(공동 제1저자)가 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 미래소재디스커버리 사업을 통해 수행됐으며, 9월 9일 화학분야 저명 학술지인 Chemical Communications(케미컬 커뮤니케이션즈, IF=6.164)에 논문이 게재됨과 동시에 논문의 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.