부식·박리 극복, 태양광 수소 생산 경제성 높였다

UNIST, 금속산화물 대신 '유기물 광전극' 개발
높은 광전류밀도 및 보호막 없이 초기성능 유지

김진영(앞줄 왼쪽)교수와 이재성(앞줄 오른쪽) 교수.

태양광을 이용한 친환경 수소를 보다 안정적이고 경제적으로 생산할 수 있는 새로운 광전극 기술이 나왔다.

울산과학기술원(UNIST)은 김진영 탄소중립대학원 교수팀과 이재성 에너지화학공학과 교수팀, 우한영 고려대 화학과 교수팀이 공동으로 수소 생산의 핵심 부품인 광전극을 유기물로 제작해 부식과 박리 문제를 해결한 새로운 전극 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

태양광 수소 생산은 물 속에 담긴 광전극에 햇빛을 쬐면 전극 표면에서 전기화학반응이 일어나 물이 수소와 산소로 분해되는 원리를 이용한다. 이 과정에서 수소와 산소를 효율적으로 만들기 위해 각각 산성, 염기성 용액이 사용되는데, 유기광전극에서 사용되는 금속산화물 전자수송층은 산성이나 염기성 수용액에서 쉽게 부식되거나, 유기물층에서 떨어져 나가 안정성이 저하되는 문제가 있다.

연구팀은 금속산화물을 대체한 유기물인 'n형 자가조립 단분자막(SAM)'과 광전극 표면에 입혀진 'p형 고분자 전해질층'을 이용해 유기물 광전극을 개발했다. n형 자가조립 단분자막은 기판과 유기 활성층 간 접착력을 강화해 전자 전달 효율을 높이고, p형 고분자 전해질층은 정공만 선택적으로 전달해 표면의 친수성을 높여 수용액과의 접촉 효율을 향상시켰다.

개발된 유기 광전극은 아스코르브산을 넣은 산성 환경에서 ㎠당 7.92㎃의 높은 광전류 밀도를 기록했다. 광전류 밀도는 수소 생산 속도와 직결되는 지표다.

또 별도의 보호막이나 금속 캡슐화 없이도 2시간 동안 초기 성능의 90% 이상을 유지해 높은 안정성을 입증했다.

김진영 UNIST 교수는 "이번 연구를 통해 기존 광전극이 갖고 있던 pH 민감성과 박리 문제를 근본적으로 해결했을 뿐만 아니라 전극 전면을 유기물로 구성한 완전 유기 구조의 실용성을 입증했다"며 "친환경 수소 생산과 다양한 유기 기반 광전기화학 소자 개발에 활용될 것"이라고 말했다.

이 연구 결과는 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스(지난달 14일)'에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr