UNIST, 햇빛으로 과산화수소 생산하는 고성능 광전극 개발

울산과학기술원(UNIST)은 장지욱 에너지화학공학과 교수 연구팀이 광전극에 햇볕을 쪼여 친환경적으로 과산화수소를 생산하는 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

장 교수팀은 페로브스카이트 기반 과산화수소 생산 광전극 시스템을 개발했다. 공업 원료인 과산화수소는 수소를 대체할 친환경 에너지 자원으로도 꼽힌다. 현재 대량 합성 공정은 복잡한데다 귀금속과 유기물질을 사용해 비용과 안전 문제가 있다.

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대안으로 광전극 과산화수소 생산 방법이 주목받고 있지만 광 흡수 성능이 뛰어나면서도 오래 쓸 수 있는 광전극 개발에 어려움이 있었다.

연구팀이 개발한 시스템은 태양 에너지를 받아 물속에서 환원된 산소가 물과 반응해 과산화수소가 되는 원리로, 광전극 표면에서 이러한 반응이 나타난다. 태양광을 과산화수소로 바꾸는 효율은 최대 1.46%를 기록해 자연 광합성의 일반적 효율인 1%도 넘어선 세계 최고 효율을 기록했다고 연구팀은 설명했다. 특히 물에 약한 페로브스카이트를 썼음에도 내구성이 좋은 장점이 있다.

연구팀은 페로브스카이트가 빛을 잘 흡수해 전하를 많이 만드는 장점이 있지만 물에 쉽게 분해되는 문제를 해결하고자 액체 상태의 금속(필즈금속)으로 페로브스카이트, 시트 형태 산소환원 촉매 등을 같이 둘러싼 뒤 다시 굳히는 방식으로 광전극을 만들었다. 필즈금속은 녹는 온도가 63도로 매우 낮아 이러한 설계가 가능하다.

이 금속은 페로브스카이트가 물과 직접적으로 접촉하는 것을 막는 동시에 페로브스카이트와 산소환원 촉매 사이를 단단하게 고정하는 역할도 한다. 본래 전기가 잘 통하는 금속의 특성으로 페로브스카이트가 빛을 받아 만든 전하가 전극 표면에 노출된 산소환원 촉매에 잘 전달되게 한다.

연구팀이 개발한 시스템은 외부 전압 도움 없이 자발적으로 과산화수소 생산 반응을 할 수 있다. 광전극과 전압 균형을 맞추기 위해 물 산화촉매를 산소환원 촉매와 함께 사용했기 때문이다.

장지욱 교수는 “성능이 뛰어나지만 물에 취약한 페로브스카이트 기반 광촉매의 불안정성을 대폭 개선했다”며 “개발된 시스템은 과산화수소를 비롯해 암모니아, 수소 등을 만드는 인공 광합성 기술에 활용할 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지인 '네이처 커뮤니케이션스'에 17일 자로 공개됐다.

울산=임동식기자 dslim@etnews.com