국내 연구진이 친환경 고효율 수소 에너지를 생산할 수 있는 광전극 제작기술을 개발했다.
광주과학기술원(GIST·총장 문승현)은 이상한 신소재공학부 교수팀이 친환경 수소 에너지 생산 효율을 높일 수 있는 플라즈모닉 금속 나노입자가 표면에 분산된 새로운 이종 구조의 광 전극 설계 및 제작기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
광전극은 태양광을 흡수해 전자와 정공 등 전하를 발생시키는 물질로 만든 전극을 말한다. 친환경 수소 에너지를 생산하기 위해서는 광전극이 빛을 최대한 흡수해 많은 양의 전하를 발생시켜야 한다. 또 전하가 광전극에서 서로 다시 재결합하지 않고 빠르게 이동할 수 있도록 해야 한다.
이 교수팀은 낮은 밴드갭을 갖는 n형 반도체 물질인 '비스무스 바나데이트'를 나노막대 형태의 산화아연위에 얇게 입혀 이종구조를 만들었다. 그 위에 자유전자가 집단적으로 진동하며 강한 전기장을 생성시키는 현상인 플라즈모닉 효과를 이용하기 위해 금 나노입자를 분산시켰다.
그 결과 산화아연은 빛의 산란을 일으켜 광 흡수를 향상시키고 전하가 재결합하는 것을 막는 동시에 빠르게 이동하도록 하는 기능이 있다는 것을 확인했다. 표면에 강한 전기장을 만들어 광전극과 물 계면의 활발한 반응도 일으켰다.
이러한 형태의 다중 구조 광전극은 빛의 흡수 및 전하 전달 특성이 기존의 비스무스 바나데이트 광전극의 광 전류 밀도보다 최대 450% 향상됐다.
이상한 교수는 “광전극의 광전류 밀도 향상은 태양에너지를 친환경 수소에너지로 변환하는 효율과 직결된다”면서 “다중 광전극 제작으로 수소에너지 생산 효율을 크게 높일 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구결과는 국제저명학술지인 카탈리시스 사이언스&테크놀러지 표지논문으로 선정돼 최근 온라인에 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
