국내 연구진, 고효율 태양광 수소 생산을 위한 실리콘 광촉매 개발

UNIST·POSTECH 연구팀, 태양광 활용 무독성 저가 실리콘 광촉매 개발
표면 개질로 수소 생산 효율 28배 높여

태양광에서 연속적 수소 및 고부가가치 생성물 생산을 위한 하이브리드 광촉매의 개발. 그림=유니스트

[서울경제]

태양광을 기반으로 수소와 고부가가치 화합물이 생산 가능한 광촉매가 개발돼 주목받고 있다. 개발된 촉매는 독성이 없고 친환경적이기 때문에 이를 활용한 그린 수소 생산 상용화 기술의 귀추가 주목된다.

유니스트(UNIST·울산과학기술원) 에너지화학공학과 류정기 교수팀과 포스텍(POSTECH·포항공과대학교) 화학과 박수진 교수팀은 공동 연구를 통해 태양광을 기반으로 수소 및 고부가화합물의 생산이 동시에 가능한 하이브리드 실리콘 광촉매를 개발했다고 3일 밝혔다. 이는 실리콘 광촉매의 단점을 보완한 고안정성 광촉매다.

기존의 촉매는 태양광으로 활용하기 어렵거나 독성을 가져 발암의 원인이 되는 등 친환경적이지 않다는 단점을 가지고 있었다. 반면, 실리콘 광촉매는 가시광선을 흡수할 수 있어 태양광의 활용도가 높다. 생산 과정에서도 유해한 화학물질을 배출하지 않아 무독성의 친환경적 광촉매로 주목받고 있다.

수소와 고부가가치 화합물의 연속적 생산에 관한 연구는 적절한 촉매의 부재로 인해 거의 보고되지 않았다. 동시에 생산하더라도 강한 염기 조건에서 독성 촉매를 사용하고, 이에 따른 환경오염으로 사용화가 어렵다. 실리콘 광촉매는 광촉매 반응 중 형성되는 산화층으로 인해 오랜 시간 반응시킬 경우 수소 생산 효율 또한 낮아진다.

연구팀은 실리콘 광촉매 표면에 니켈이 도핑된 그래핀 퀀텀닷(높은 용해성, 낮은 독성, 높은 안정성 등의 장점을 갖춰 기존 양자점의 단점을 보완하는 대체 물질)을 2~3㎚의 두께로 균일하게 코팅해 높은 수소 생산 효율 및 안정성을 확보했다. 표면이 개질된 하이브리드 실리콘 광촉매는 기존 실리콘 광촉매 대비 약 28배 높은 수소 생산 효율을 보였다. 산화 반응에서는 물 대신 생물유기체인 바이오매스를 활용해 고부가화합물의 생산이 가능함을 확인했다. 98%의 원형을 유지함으로써 높은 안정성 또한 확보했다.

류정기 유니스트 에너지화학공학과 교수는 “기존 수소 생산 연구는 자외선을 흡수 하거나 독성 촉매를 가진 광촉매에 한정돼 왔다”며 “개발된 무독성 저가 실리콘 광촉매는 높은 태양광 흡수율을 통한 고효율의 수소 생산이 가능할 뿐만 아니라 방향족 화합물의 생산이 가능하여 새로운 태양광 촉매 시스템을 제시했다는 점에서 의미가 크다”라고 설명했다.

박수진 포스텍 화학과 교수는 “니켈 도핑된 그래핀 퀀텀닷으로의 표면 개질은 실리콘 광촉매뿐만 아니라 다양한 광촉매에 활용 가능해 에너지 응용 분야에 새로운 활용법을 제시한 경제적 기술이다”라고 설명했다.

이번 연구는 유니스트 최유리 연구조교수, 포스텍 최성호 석·박 통합과정 연구원이 제 1저자로 참여했다. 연구 결과는 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 7월 27일자로 공개됐다.

울산=장지승 기자 jjs@sedaily.com