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UNIST, 햇빛만으로 수소 생산하는 유기 광전극 개발
전유기(All-Organic) 탠덤 광음극의 작동 원리 모식도(좌측)와 320 cm2 대면적 야외 수 소 생산 실증 모듈 사진/ UNIST 제공
[투데이에너지 신일영 기자] 외부에서 전기를 공급하지 않고 햇빛만으로 물에서 수소를 만드는 유기 광전극이 개발됐다. 유기 반도체 기반 광음극 가운데 세계 최고 수준의 효율을 달성하며, 차세대 그린수소 생산 기술의 상용화에 중요한 전기를 마련했다는 평가다.
UNIST(울산과학기술대학교) 탄소중립대학원 김진영 교수와 에너지화학공학과 이재성·임한권 교수팀은 빛을 흡수하는 유기 반도체 층을 두 겹으로 쌓아 외부에서 별도로 전압을 가하지 않아도 수소를 생산하는 ‘탠덤 광전극’을 개발했다고 26일 밝혔다.
광전극을 이용한 태양광 물 분해 기술은 수소 생산 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않는 ‘그린수소’를 생산하는 기술이다. 광전극 내부 반도체가 빛을 흡수하면전자가 촉매로 이동해 수소 발생 반응을 일으키는 원리다.
특히 유기 반도체를 쓰는 광전극은 반도체 소재를 용액에 녹여 바를 수 있어 상업화를 위한 대형 전극을만드는 데 유리하지만 흡수층 하나에서 얻는 전압만으로는 물을 수소와 산소로 분해하기 어려워 외부 전원이 필요했다.
연구팀이 개발한 광전극은 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 반도체 층을 두 겹으로 쌓아 물 분해에 필요한 전압을 확보할 수 있다. 두 층에서 생긴 전압을 손실없이 합칠 수 있도록 새로운 연결 소재를 개발해 적용했다.
산화몰리브덴과 유기분자 ‘2PACz’가 결합된 소재다. 기존에 쓰이던 연결 소재(PEDOT:PSS)는 산성이강하고 습기를 잘 흡수해 인접한 층을 손상시켰다. 새 연결층의 산화몰리브덴은강한 산성을 띠지 않고 습기도 잘 흡수하지 않으며, 2PACz는 결함을 줄이고 전하이동을 돕는 역할을 한다.
또 반도체 층을 입힐 때 사용하는 용매에도 잘 견딘다.실험에서 0.56㎠ 크기 광전극은 외부 전원 없이 물을 분해하며 태양광 수소 전환효율 7.9%를 기록했다. 연구팀은 외부 전원 없이 작동하는 유기 반도체 기반 광음극 가운데 가장 높은 수치라고 설명했다.
또 안정성 실험에서 개발된 광전극은 10시간 뒤에도 초기 광전류의 86%를 유지한반면, 기존 연결 소재를 쓴 광음극은 광전류가 초기값의 36% 수준으로 줄었다. 광전류는 빛을 받은 광전극에서 흐르는 전류로 수소 생산 성능을 평가하는 지표다.
전체 수소 생산 장치에 들어가는 귀금속 사용량도 줄였다. 장치는 수소 발생 전극인 유기 광전극과 별도의 산소 발생 전극으로 구성된다. 광전극의 백금 함량은 중량 기준 약 0.1%이며, 산소 발생 전극에는 귀금속 대신 니켈·철·코발트로 만든촉매를 적용했다.
두 전극은 같은 수산화칼륨 용액에서 작동하기 때문에 별도의이온교환막이 필요하지 않아 경제적이다. 연구팀은 320 cm² 크기의 대면적 모듈 시스템을 만들고 실제 자연광 아래에서외부 전압 없이 수소가 활발히 뿜어져 나오는 야외 실증에 성공했다.
전 공정 경제성 평가(TEA) 결과, 현재 확보한 효율로 하루 10톤의 수소를 생산하는 설비를 가정했을 때 수소 1㎏당 생산 비용은 9.26달러로 추산됐다. 전환 효율이 7.9%임에도 효율 10%인 광전극과 비슷한 생산비다.
유기 반도체를 활용해 전극 제작 비용을 낮춘 이점이 반영된 결과다. 향후 전환 효율을 이론적 한계 수준인 16%로 높이고 하루 생산량을 30톤으로 늘리면 수소 1㎏당 생산 비용을 4.26달러까지 낮출 수 있는 것으로 분석됐다.
김진영 교수는 “유기 반도체를 쌓은 전극에서 성능을 떨어뜨리던 연결층의 불안정성과 부식 문제를 해결한 연구”라며 “용액으로 가공할 수 있는 유기 반도체의장점을 살려 그린수소 생산 비용을 낮추는 데 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 김재형 연구원, 이연정 연구원, 다르메쉬 한소라(DharmeshHansora) 박사, 문종아 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 환경·에너지 촉매분야의 세계적 권위지인 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런먼트 앤드 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)’에 9월 6일 온라인 공개됐다.