아주대 서형탁 교수 수소연료 생산위한 '물분해 광전극' 개발

무공해 방식으로 수소 연료 생산하는 광전극으로 활용 기대

아주대 연구팀 사진 오른쪽이 서형탁 교수, 왼쪽이 칼라누르 샨카라 교수. 아주대 제공

서형탁 아주대 교수 연구팀이 수소 연료 생산을 위한 물 분해 광전극을 단일 소재를 이용해 개발하는 데 성공했다.

무공해 방식으로 수소 연료를 생산할 수 있는 저비용 고효율 광전극으로 활용될 수 있다.

13일 서형탁 아주대 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)는 단일 소재 기반의 고효율 태양광 물 분해 신소재 광전극을 개발했다고 밝혔다.

관련 기술은 촉매 분야 국제 학술지 '어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)' 5월 6일자 온라인판에 게재됐다.

칼라누르 샨카라(Shankara Kalanur) 아주대 교수(신소재공학과)가 제1저자로 함께 참여했다.

수소는 연료로 사용된 후 물이 배출되는 대표적인 청정 연료원으로, 최근 차세대 에너지 연료원으로 주목받으며 산업 전반에서 활용 영역을 확장하고 있다. 연료로서의 수소를 생산하기 위해서는 화석 연료를 개질(reforming)하는 방식이 주로 사용되고 있는데, 이 과정에서 수소 생산 중량의 9배가 넘는 이산화탄소(CO2)도 같이 배출된다.

때문에 대표적 온실가스인 이산화탄소 같은 공해 물질의 배출을 줄이기 위해 전기나 태양광을 이용하는 광·전기 화학적 물 분해 기술에 대한 연구가 최근 활발히 이루어지고 있다. 태양광이 반도체 광전극에 입사할 때 생성된 전하를 이용해 물을 분해하는 방식으로, 이 방법은 이산화탄소 배출이 없는 청정 수소 생산 방식이다.

그러나 기존 화석연료 개질 방식에 비해 매우 낮은 생산 효율이 그동안 한계점으로 인식되어 왔다.

이러한 낮은 생산 효율을 극복하기 위해서는 태양광 물 분해 시스템에서 가장 핵심적인 역할을 하는 광전극의 광 반응 특성을 향상 시키고, 장기 반응 내구성을 확보하는 것이 관건이다.

서형탁 교수팀은 기존에 널리 연구되어 왔으나 효율 향상 한계에 봉착했던 텅스텐 산화물(WO3) 광전극에 주목했다.

서 교수팀은 다른 소재를 추가한 이종 적층 구조를 쓰지 않고 단일 소재에 소량(1.14%)의 이트리움(Y)을 '도핑'할 경우 1차원 텅스텐 산화물 나노로드의 결정 방향이 광화학적으로 활성이 높은 {002}면에 대하여 정렬된다는 점을 발견해 냈다. 연구진은 최적 도핑 농도 및 공정 확보를 위해 수십 가지 경우의 불순물 농도를 검증, 최적 조건을 찾아냈다.

연구팀은 최적 조건으로 이트리움(Y)이 도핑된 텅스텐 산화물(WO3)에서 광전류가 200% 가량 대폭 향상되며, 촉매에 흡수된 빛에 의한 광전류의 수소 전환 효율은 95%에 이른다는 점을 확인했다.

그 밖에도 극소량의 도핑으로도 저항 감소, 전자구조 변화, 표면일함수 변화 등 다양한 물리·화학적 특성이 달라질 수 있음을 확인했다.

서형탁 교수는 "저가의 텅스텐 산화물에 극소량의 불순물 도핑을 통해 고효율 단일소재 기반의 나노구조 광전극 제조에 성공한 사례"라며 "이를 통해 최고 수준의 전환 효율로 수소를 생산할 수 있음을 확인했고, 앞으로 안정성을 더욱 개선해 실용화를 목표로 연구를 이어 가겠다"고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 기초연구지원사업(기본)의 지원과 해외우수신진인력지원사업의 지원으로 수행됐다.
/김영래기자 [e-mail]