그린수소 생산 열쇠 ‘스핀 제어 광전극’개발
카이랄성 전이 메커니즘 규명해 금속산화물 광전극 개발 성공
□ 무한한 자연 에너지인 태양광과 물을 이용해 수소를 생산하는 태양광 물분해 시스템이 친환경 미래기술로 주목받는 가운데, 국내 연구진이 태양광을 흡수해 물에서 수소를 생산하는 광전극의 성능 향상을 이끌 카이랄* 산화물 촉매 적용 기술을 선보였다.
* 카이랄성(Chirality) : 비대칭성을 가리키는 용어로 거울상 영상에 서로 겹쳐질 수 없는 분자 구조
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 문주호 교수(연세대학교) 연구팀이 카이랄* 산화물의 증착 메커니즘을 규명하고, 이를 통해 성능이 향상된 금속산화물 기반의 카이랄 광전극을 개발했다고 밝혔다.
□ 광전극을 이용한 태양광 물분해 시스템은 재료가 저렴하고 시스템이 단순해 이론상으로는 기존 태양전지-전기분해 시스템보다 경제성과 효율성이 높지만, 전극 내 전자를 단순한 전하 운반체로만 인식하기 때문에 실제 성능 향상에는 한계가 있었다.
○ 이에 광전극에 카이랄 물질을 접목하는 양자역학적 관점의 개선 방안이 제시됐지만, 구동 안정성이 낮을 뿐만 아니라 대상이 촉매반응 활성을 가진 유기물질에 한정되어 기존 한계를 극복하기 어려웠다.
□ 연구팀은 금속 산화물 기반의 카이랄 물질을 광전극에 적용하고자 금속 산화물 합성에서의 카이랄성 전이 메커니즘을 규명하고, 이를 바탕으로 새로운 광전극을 개발하였다.
□ 연구팀에 따르면 금속 산화물 기반의 카이랄 재료는 유기물에 비해 높은 내화학성과 우수한 전기화학적 특성을 보이며 광전극과 이종접합을 형성하여 전하 분리 효율을 증진할 수 있다.
□ 연구팀은 이 같은 원리를 기반으로 장기 구동 안정성과 높은 촉매반응 활성을 가진 금속 산화물 기반의 카이랄 재료를 합성하고 카이랄 금속 광전극을 개발하였다.
○ 즉, 금속산화물에 카이랄성을 부여하고 전자의 스핀을 제어함으로써 전해질-촉매 계면에서의 재결합을 억제하고 광전류밀도를 향상시키자 성능을 저해하던 부산물이 억제되고 산소 발생 효율은 증진되었다.
□ 실험 결과 새로운 카이랄 금속 광전극은 광전류밀도와 O2 생성 효율이 각각 약 23% 및 20% 향상되었다. 또한, 80시간 연속 구동 시 카이랄 전극의 효율은 85.1%로 비카이랄 전극 73.2% 보다 높았다.
□ 문주호 교수는 “증착 용액 내 카이랄성 전이에 대한 이해는 다양한 기판과 재료에 활용이 가능해 광전극 뿐만 아니라 촉매, 이차전지, 디스플레이 등 보다 넓은 범위의 애플리케이션에 적용이 기대된다”라며 “이번 성과가 산업화 규모에서 구현 가능하도록 더 높은 카이랄성 효과와 촉매 활성을 가진 물질 개발에 매진할 계획이다”라고 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 환경 분야 국제학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 1월 25일 게재되었다.
