해초 표피에서 얻은 물질로 그린 수소 생산 효율 향상

연세대, "광전극은 보호하고 효율은 유지...반영구적 그린 수소 생산 시스템 개발 기대"

태양 빛으로 물에서 수소를 만드는 광전극의 내구성을 높이는 기술이 나왔다. 해양 식물 표피층의 하이드로젤 보호막을 활용했다. 온실가스를 배출하지 않는 그린 수소 생산을 앞당기리란 기대다. 

한국연구재단(이사장 이광복)은 연세대 신소재공학과 문주호 교수와 기계공학과 이형석 교수 연구팀이 광전극의 구조 손상을 방지하고 구동 시간을 획기적으로 증가시킬 수 있는 신개념 하이드로젤 기반 보호 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

기존 태양광-수소 생산시스템은 고가의 태양전지와 전기분해 장치를 공간적으로 분리해 연결한 복잡한 방식이라 비용 절감에 한계가 있다. 

광흡수층과 전기화학 촉매가 하나의 소자로 통합된 광전극 기반 광전기화학 시스템은 저가 재료를 활용, 시스템의 복잡성과 생산 단가를 낮추면서 우수한 효율을 얻을 수 있다. 하지만 내구성이 약하고구동 시간이 짧아 실용화에 어려움이 있다. 특히 광흡수층의 부식과 표면 촉매의 손상은 광전극 내구성 저하의 주요 원인이다. 

(가) 해조류 표면 구조 개요도 (나) 하이드로젤 코팅된 광전극 구조 (자료=연세대)

연구팀은 해양 식물 표피층의 하이드로젤 보호막이 내부 세포 손상을 억제한다는 것에 주목했다. 물 속에서 작동하는 광전극의 표면에 하이드로젤 보호막을 사용하면 광전극 수명이 늘어남을 보였다. 또 하이드로젤의 나노그물망이 광전극의 부식과 표면 촉매의 탈착을 동시에 억제해 내구성을 높였다. 

문주호 교수는 "광전극의 부식과 표면 촉매 탈착을 동시에 억제하며 다양한 광전극에 적용 가능한 저가 하이드로젤 보호 기술을 최초로 제시했다"고 말했다. 

다만, 그린 수소 생산의 실용화를 위해서는 시스템의 반영구적 구동이 필수적이므로 광전극 및 하이드로젤의 특성 최적화에 대한 추가 연구가 필요하다고 연구진은 밝혔다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구, 나노소재기술개발사업 등의 지원으로 수행됐으며, 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 실렸다.