실내 빛으로 수소 만드는 ‘인공 나뭇잎’ 나왔다

유니스트, 광전극과 3차원 니켈 촉매 결합한 소재 개발

유니스트 연구진이 개발한 실내조명용 수소 생산 인공 나뭇잎의 구조와 성능./유니스트

국내 연구진이 실내조명 빛을 받아 수소를 생산하는 인공 나뭇잎을 개발했다. 전 세계 전력 소비의 19%를 차지하는 조명 전력을 재활용해 청정 수소를 수확할 길이 열렸다.

장지현 유니스트 에너지화학공학과 교수 연구진은 효율적인 광전극과 수소 생산 촉매를 결합해 발광다이오드(LED) 조명 아래에서 수소를 생산하는 인공 나뭇잎을 개발했다고 19일 밝혔다.

광전극은 식물 엽록소처럼 빛을 받아 전하 입자를 만드는 소재다. 연구진이 개발한 광전극은 햇빛보다 밝기가 약한 실내조명을 잘 흡수해 전하 입자를 만드는 황화물 소재로 이뤄져 있다. 생산된 전하 입자는 이산화티타늄층을 거쳐 뒷면의 수소 생산 촉매층으로 전달되고, 수소 생산 촉매층인 3차원 니켈 표면에서 전하 입자와 물이 반응해 수소가 나온다.

특히 황화물은 강한 빛에 노출되면 광부식 현상이 일어나는데 약한 실내 조명은 이를 최소화할 수 있다. 다만 빛이 약해 줄어든 전하 입자량을 보완하기 위해 연구진은 황화물에 이산화티타늄이 접합된 전극 구조를 설계했다. 이 접합 구조는 양전하 입자와 음전하 입자가 재결합해 사라지는 것을 막아 한정된 전하를 재결합 손실 없이 온전히 수소 생산에 쓰게 만든다. 또 황화물 표면에 인산염을 코팅해 황화물의 광부식은 막고 전하 이동 속도는 높여, 내구성과 효율을 동시에 잡았다.

개발된 인공 나뭇잎은 외부 전압을 걸어주지 않아도 실내조명만으로 고가의 백금 촉매를 사용했을 때의 광전류를 기록했으며, 12시간 후에도 초기 성능의 94%를 유지했다. 광전류는 인공 나뭇잎의 수소 생산량을 가늠할 수 있는 지표다.

또 수소 생산 촉매인 3차원 니켈은 값싸고, 잉크처럼 찍어낼 수 있어 상용화에 필요한 크기로 쉽게 제작할 수 있다. 연구진은 85㎠ 크기 인공 나뭇잎 4개를 직렬로 연결한 대형 모듈도 제작했으며, 이 모듈은 실내조명 아래에서 총 5㎃(밀리암페어)의 광전류를 기록했다.

장지현 교수는 “실내조명은 날씨에 민감한 태양광과 달리 꾸준하다는 장점이 있다”며 “이번 연구로 실내에서 버려지던 빛을 수소 생산의 에너지원으로 활용할 수 있음을 확인한 만큼, 향후 수소 분리·회수 기술을 보완해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environmental and Energy)’ 온라인판에 지난 1월 16일(현지 시각) 게재됐다.

참고 자료

Applied Catalysis B: Environmental and Energy(2026), DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.126449

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