자연 태양광만으로 수소 생산…고효율 광전극 기술 개발

한국기계연구원 이지혜 나노리소그래피연구센터 센터장 연구팀이 고농도 BiVO4 전구체 용액 기술로 576cm² 초대형 광전극 시스템의 성공적 실증을 완료했다. 왼쪽부터 이지혜 센터장, 이호영 학생연구원. 한국기계연구원 제공

자연 태양광만으로 안정적으로 수소를 생산할 수 있는 고효율 광전극 기술이 개발됐다. 복잡했던 다중 공정을 단순화하면서도 높은 광전류를 생성할 수 있어 태양광 기반 수소 생산 시스템의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

한국기계연구원은 이지혜 나노융합연구본부 나노리소그래피연구센터장 연구팀이 비스무트 바나데이트(BiVO₄) 광전극의 생산성을 획기적으로 개선한 새로운 기술을 개발했다고 22일 밝혔다. BiVO₄는 태양광 흡수율이 높고 수소 전환 효율이 우수한 금속산화물로 수전해 기반 친환경 수소 생산 기술의 핵심 소재로 주목받고 있다.

기존에는 BiVO₄ 박막을 만들기 위해 100밀리몰(mM) 농도 이하의 전구체 용액을 8회 이상 반복적으로 코팅하고 열처리하는 복잡한 공정이 필요했다. 생산성이 낮고 제작 시간과 자원이 많이 소요됐다. 

연구팀은 아세틸아세톤, 아세트산, 디메틸설폭사이드를 최적 비율로 혼합한 고농도 BiVO₄ 전구체 용액을 새롭게 개발했다. 용액은 단 한 번의 코팅만으로도 균일하고 고성능의 BiVO₄ 박막을 형성했다. 전체 공정 생산성은 기존 대비 약 5.9배 향상됐다.

연구팀은 새로운 BiVO₄ 전구체 용액 기술을 바탕으로 144제곱센티미터(cm²) 크기의 대면적 광전극을 제작했다. 대면적 광전극 4개를 연결한 576cm² 크기의 초대형 전극 시스템으로 확장하는 데도 성공했다.

시스템을 태양전지와 병렬로 연결해 외부 전원 없이 자연 태양광만으로 수소를 생산하는 데 성공했다. 연구팀은 "실제 환경에서도 안정적으로 높은 광전류가 유지되면서 실용적이면서도 경제적인 수소 생산 솔루션으로 기대된다"고 말했다.

연구를 이끈 이 센터장은 “이번 기술은 고농도 전구체 개발을 통해 대면적 전극의 효율과 생산성을 동시에 끌어올린 성과”라며 “지속 가능한 수소에너지 전환 시대를 앞당기는 데 크게 기여할 것”이라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 '재료화학 A'에 지난해 게재됐다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1039/D4TA03349C

[박정연 기자 hesse@donga.com]