DGIST-국민대, 태양광으로 수소생산 효율 10배 개선 성공

고효율 광전극 새로 개발…광전류 밀도도 '우수'

최종민 DGIST 에너지공학과 교수 연구팀과 김영훈 국민대학교 화학과 교수 연구팀이 태양광 수소 생산 효율을 10배 이상 높인 고효율 광전극을 개발했다고 16일 밝혔다.

수소를 태양광으로 만들어내기 위해 주로 이산화티타늄 소재가 쓰인다. 안정성이 높지만 자외선만 흡수할 수 있어 효율이 낮다는 한계가 있었다.

연구팀은 나노결정 표면의 분자를 물과 잘 섞이는 ‘친수성 분자’로 교체한 뒤, 물(수용액) 속에서 미세한 전기를 가해 입자를 전극에 달라붙게 하는 ‘수계 전기영동증착’ 공정을 새롭게 적용해 이 문제를 완벽히 해결했다.

DGIST 연구진. 왼쪽부터 최종민 에너지공학과 교수,박진영 박사, 김해정 박사과정생.(사진=DGIST)

기존 200V에 달하던 공정 전압을 건전지 수준인 단 4V로 획기적으로 낮췄다. 또한, 독성 유기 용매 없이 안전한 수용액 상태에서 단 3분 만에 전극에 소재를 입히는 데 성공해, 고전압 환경에서 발생하던 표면 손상과 불순물(산화 부산물) 형성 문제까지 말끔히 해결했다.

연구팀은 "기존 단일 소재 전극보다 빛에 의해 발생하는 광전류가 약 10배 이상 대폭 향상됐다"며 "태양광과 유사한 환경에서 실험한 결과, 3.0 mA/cm²의 우수한 광전류 밀도를 기록했다"고 설명했다.

2시간 동안 연속으로 빛을 쪼인 후에도 초기 성능의 65.1%를 안정적으로 유지했다.

연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘스몰’에 게재됐다.

최종민 교수는 “향후 친환경 수소 생산 기술의 실용화를 앞당기는 중요한 밑거름이 될 것”이라고 기대감을 나타냈다.

공동 제1저자인 박진영 박사와 김해정 박사과정생은 향후 목표에 대해 "장시간 안정적으로 작동하고 넓은 면적에서도 성능을 유지하는 태양광 수소생산용 광전극을 구현하는 것"이라며 "이를 위해 나노결정의 표면과 소재 사이의 접합 구조를 정밀하게 제어하고, 실용적인 운전 조건에서 성능을 검증하는 후속 연구가 필요하다"고 말했다.