태양광 이용 물분해 수소 생산기술 상용화 앞당긴다

UNIST·고려대 연구팀 산·염기에 강한 순수 유기물 광전극 개발

김진영·이재성 UNIST 교수(앞줄 좌우)와 연구진

울산과학기술원(UNIST)과 고려대 공동 연구팀이 태양광을 이용한 고효율 친환경 수소 생산기술을 개발했다.

개발 주역은 김진영 UNIST 탄소중립대학원 교수팀과 이재성 UNIST 에너지화학공학과 교수팀, 우한영 고려대 화학과 교수팀이다.

공동 연구팀은 금속 산화물을 일체 사용하지 않는 '전(全)유기 광산화전극(all-organic photoanode)'을 개발해 기존 유기광전극이 지닌 부식과 박리 문제를 해결했다.

태양광 기반 수전해 수소 생산기술은 물속에 담긴 광전극이 햇빛을 받으면 전극 표면에 전기화학 반응이 일어나고, 이 과정에서 물을 수소와 산소로 분해하는 원리다.

수소와 산소를 효율적으로 분리 생산하기 위해 산성, 염기성 용액을 사용하는데 기존 유기광전극의 금속산화물 전자수송층은 이 같은 산성 및 염기성 수용액과 닿으면 쉽게 부식되거나 박리돼 안정성이 떨어졌다.

공동 연구팀이 개발한 고안정성 전유기 광전극 구조와 성능

공동연구팀이 개발한 전 유기 광산화전극은 기판과 유기 광활성층간 접착력을 높여 전자 전달 효율을 극대화할 수 있다. 또 광전극 표면에 p형 고분자 전해질층을 입혀 정공만 선택적으로 전달하고, 표면 친수성도 높아 수용액과의 접촉 효율을 향상할 수 있다.

개발 광전극을 시험한 결과, 아스코르브산을 넣은 산성 환경에서 7.92㎃/㎠의 높은 광전류 밀도를 나타냈다. 광전류 밀도는 수소 생산 속도와 직결되는 지표다. 별도 보호막이나 금속 캡슐화 없이도 2시간 동안 초기 성능의 90% 이상을 유지했다.

김진영 교수는 “기존 광전극이 갖고 있던 pH 민감성과 박리 문제를 근본적으로 해결하고, 전극 전체를 유기물로 구성한 완전 유기 구조의 실용성을 입증한 첫 사례”라며 “친환경 수소 생산뿐 아니라 다양한 유기 기반 광전기화학 소자 개발에 널리 활용할 수 있다”고 말했다.

울산=임동식기자 dslim@etnews.com