“효율·안정성 동시에 잡았다” 친환경 ‘인공광합성’ 기술 상용화 청신호

- UNIST 권태혁·장지욱 교수팀, 인공광합성 전극 개발

염료감응 광전기화학 전극(DSPEC)의 작동 원리.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 효율적인 광전환과 장기 안정성을 동시에 확보해 인공광합성 기술 실용화를 가능케 할 기술이 개발됐다.

UNIST(울산과학기술원) 화학과 권태혁 교수와 에너지화학공학과 장지욱 교수팀은 손실없이 전하를 전달, 외부 전력없이도 태양광만으로 수소와 과산화수소를 생산할 수 있는 염료감응 인공광합성 전극을 개발했다고 7일 밝혔다.

인공광합성 전극은 햇빛을 받아 물에서 수소, 과산화수소 등을 생산하는 인공광합성의 핵심 부품이다. 염료감응 인공광합성 전극은 유기 염료가 식물 엽록소 역할을 하는 전극으로, 일부 인공광합성 전극과 달리 납과 같은 유해 물질이 없다.

연구팀이 개발한 전극은 이 유기 염료층과 레독스 매개체라는 물질을 니켈 포일로 감싸 매립해 넣은 구조다. 이 구조에서는 빛을 받은 염료에서 생성된 전하가 한 번에 이동하는 것이 아니라, 염료 → 레독스 매개체 → 니켈 포일 → 촉매 순서로 차례로 전달된다. 서로 다른 물질을 단계적으로 거치면서 에너지 차이에 따라 ‘한 칸씩 내려가듯’ 이동하게 돼, 전하가 되돌아가거나 중간에 소멸되는 것을 줄일 수 있다.

식물 나뭇잎에서도 엽록소에서 생긴 전하가 여러 전자전달 단백질을 거치며 낮은 에너지 단계로 순차적으로 전달되기 때문에, 손실 없이 최종 반응까지 도달할 수 있다.

또한 유기 염료가 액체 수계 전해질과 직접 닿는 것도 막아준다. 기존의 염료감응 광전극은 엽록소 역할의 염료가 수계 전해질과 직접 맞닿는 구조라 전하 이동 과정에서 쉽게 사라지고, 염료 자체도 수계 전해질에 노출되면서 떨어지기 쉬웠다.

이번 연구를 수행한 UNIST 연구진. 권태혁(왼쪽부터), 장지욱 교수, 박준혁, 김경림, 이진영 연구원.[UNIST 제공]

개발된 인공광합성 전극은 물을 분해하는 반응에서 98%의 패러데이 효율을 기록했는데, 이는 염료가 만든 100개의 전하 중 약 98개가 실제 화학 반응에 잘 도달했다는 의미다.

이 전극을 물에서 과산화수소를 생산하는 인공광합성 시스템에 적용했을 때는 외부에서 전압을 걸어주지 않고도 태양광만으로 4.15%의 높은 태양광-연료 변환 효율(STF)을 달성했다. 이는 세계 최고 수준의 효율이다. 150시간 동안 성능 저하도 없었다.

권태혁 교수는 “전극의 계면 설계를 통해 염료감응형 시스템의 효율과 수명 문제를 동시에 보완한 사례”라며 “유해 물질 없는 친환경 시스템으로 고부가가치 화학 원료를 생산할 수 있는 기술적 토대를 마련했다”고 설명했다.

이번 연구결과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 4월 13일 출판됐다.