아주대 신소재공학과 연구팀이 태양광을 이용한 친환경 수소 생산에 활용될 수 있는 기반 기술을 개발했다.

아주대는 서형탁 신소재공학과 교수팀이 물 분해 수소 생산 효율과 내구성이 크게 향상된 실리콘 기반 태양광전기화학 광음극을 개발하는데 성공했다고 30일 밝혔다. 연구에는 샨카라 칼라누르 교수와 박사과정의 유일한 연구원이 함께 참여했다.

서 교수팀이 개발한 기술은 실리콘 기반 태양광 전기화학 광음극이다. 반도체 소자나 태양전지에 널리 쓰이는 실리콘 및 산화물 적층 구조를 활용했다.

실리콘은 이미 태양전지에 널리 활용되는 소재지만 물 분해와 같은 전해질 수용액 환경에서는 효율이 떨어지고 쉽게 부식돼 사용이 어려웠다.

서 교수는 “생산효율이 낮은 기존 방식을 대체해 저가 범용 소재인 실리콘과 몰리브덴 산화물 박막 적층 구조를 광음극으로 적용해 표면에서 수소를 직접 생산해내는데 성공했다”고 말했다.

핵심 기술은 태양광이 반도체 광전극에 입사할 때 생성된 전하를 이용해 물을 분해하는 것이다. 기존 연구에서는 광전기 물 분해 전극 중 주로 양극에서 빛을 흡수하는 광양극에 대한 연구가 진행되어 왔으나 서 교수팀은 광음극에 주목했다.

연구팀은 물 분해 같은 전해질 수용액 환경에서 쉽게 부식되고 효율이 떨어지는 실리콘의 단점을 극복하기 위해, 표면 전위를 제어해 태양광에 의해 형성된 광전하를 정확한 방향으로 분리하는데 성공했다. 또 산화물을 화학적으로 안정된 실리콘 보호막으로도 활용, 전해질 용액에 의한 부식을 획기적으로 개선했다.

서형탁 교수는 “실리콘 표면에 증착된 몰리브덴 산화물 박막의 정밀 조성 최적화 핵심 원천기술을 확보했다”며 “이에 실리콘 단일 소재 광음극 대비 광전류 효율은 6배, 12시간 연속 수소 생산 전극 내구성은 8배 개선할 수 있었다”고 전했다.

관련 내용은 화공 촉매 분야 저명 국제 학술지인 '어플라이드 카탈리시스 B' 온라인 최신호에 소개됐다.