광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 이상한 신소재공학부 교수팀이 태양에너지를 이용해 물을 분해해 수소를 생산하는데 사용되는 광전극의 효율을 극대화시킬 수 있는 다중 층 촉매를 개발했다고 7일 밝혔다.
이 교수팀은 백금 등과 같은 고가의 귀금속 촉매를 대체하기 위해 물분해 광전극의 소재로 전이금속 양이온과 칼코겐 화합물인 황과 셀레늄 등의 음이온이 결합해 만들어진 화학물질인 디칼코게나이드(TMDs)를 사용했다. TMDs는 종이와 같은 얇은 2차원의 층 구조로 된 물질로, 투명하고 우수한 촉매특성을 갖고 있다. 적은 양으로도 실리콘 광전극의 효율을 증대시키는 장점을 갖고 있다.
이 교수팀은 기존 단일 TMDs 촉매를 실리콘에 적용한 연구와는 달리 서로 다른 TMDs를 적층해 계단형 밴드구조를 이루는 다중 층 TMDs 박막을 고안했다. 다중 층으로 구성된 TMDs 박막을 제작하기 위해 실리콘 기판위에 TMDs를 직접 증착할 수 있는 펄스드 레이저 증착법을 이용했다. 일반적인 TMDs 공정처럼 개별증착과 전사와 같은 복잡한 추가공정을 간소화했다.
새로 제조한 다중 층 TMDs 촉매는 단일 TMDs 촉매보다 전자의 흐름이 개선돼 태양광에서 생성한 광전류를 단일 TMDs 촉매가 사용된 실리콘 광전극 대비 약 3배에서 최대 20배 이상 증대시키는 것으로 나타났다.
이상한 교수는 “다중 층 TMDs 박막형 촉매가 앞으로 친환경 수소생산에 크게 기여하기를 바란다”며 “펄스드 레이저 증착법을 이용한 다중 층 TMDs 합성법이 향후 친환경 촉매뿐만 아니라 반도체 소자, 발광 소자 등 다양한 분야에도 적용될 수 있도록 연구할 것”이라고 밝혔다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
