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[투데이에너지 신일영 기자] 탄소 배출 없이 햇빛과 물로만 수소를 추출하는 기술이 개발돼 주목을 받고 있다.

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 고등광기술연구원(APRI) 이창열 수석연구원과 성균관대학교 화학공학부 김정규 교수, 전남대학교 신소재공학부 김태훈 교수 공동 연구팀이 물속에서도 안정적으로 작동하는 고효율 ‘양자점 복합 광전극(PQD@SiO2/WO3)’을 개발했다고 밝혔다.

이 기술은 태양광과 물만으로 탄소 배출 없이 수소를 생산하는 ‘태양광 수소 생산’의 상용화를 앞당길 수 있는 핵심 원천기술로 기대된다.

태양광을 이용해 물을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하려면, 빛을 받아 전기를 생성하고 물 분해 반응을 유도하는 ‘광양극(photoanode)’이 필수적인데, 대표적 광양극 소재인 ‘산화텅스텐(WO3)’은 물속에서도 안정적이지만 빛을 전하로 변환하는 효율이 낮다는 한계가 있다.

반면 빛을 잘 흡수하는 나노 소재인 ‘페로브스카이트 양자점(CsPbBr3)’은 물과 빛에 노출되면 쉽게 분해되는 불안정성이 한계로 지적돼 왔다.

연구팀은 이 두 소재의 장점을 결합하면서 단점을 극복하기 위해, 빛을 잘 흡수하는 나노 입자인 ‘양자점’을 매우 얇은 보호막으로 감싼 ‘핵-껍질(core–shell)’ 구조를 설계했다.

페로브스카이트 양자점을 두께 약 0.7 나노미터(nm, 머리카락 굵기의 수십만 분의 1 수준)의 실리카(SiO2) 보호층으로 감싸 물로부터 보호함과 동시에 구조적·광학적 특성을 유지하도록 설계했으며, 이를 산화텅스텐 전극 위에 배열해 광양극으로 활용했다.

광전류 향상 및 고효율 수소 생산 성능 비교./광주과학기술원 제공

이 보호층은 물과 전해질의 침투는 막으면서도 전하는 통과시킬 만큼 얇아, 전기적 성능 저하 없이 안정성을 확보했다.

즉 빛을 전기로 바꾸는 ‘초소형 엔진(양자점)’을 초박막 방수 코팅으로 감싼 핵-껍질 구조로 제작하여 기존 광전극 위에 도입했다.

특히 이 구조는 단순한 보호 역할을 넘어, 양자점과 산화텅스텐 사이의 에너지 차이로 인해 전자가 한 방향으로 이동하도록 유도하는 ‘내부 전기장’을 강화하는 효과까지 만들어냈다.

이 과정에서 빛으로 생성된 전하가 다시 사라지는 ‘재결합’은 줄어들고, 양전하와 음전하가 서로 반대 방향으로 빠르게 분리됐다.

그 결과 물 분해 반응 효율이 크게 향상되면서, 고효율 광전극 구현 가능성을 높였다.

실제 성능 평가에서도 뚜렷한 개선이 확인됐다.

연구팀이 개발한 복합 전극은 동일한 산성 조건과 표준 태양광 환경에서 기존 산화텅스텐 대비 약 2.2배 높은 전류(3.08 mA·cm-2)를 생성했다.

또한 12시간 동안 연속으로 작동했음에도 전류 감소가 거의 없어 수중 환경에서 장기 안정성이 유지되는 것을 확인했다.

수소 생산 성능 평가에서도 높은 효율을 보였다.

물을 전기로 분해해 수소와 산소를 만드는 실험에서, 표준 태양광 조건(물 분해가 가능한 이론적 최소 전압인 1.23 볼트(V)를 적용하고 3시간 동안 반응을 유지한 조건)하에서 수소와 산소가 각각 80.05, 40.01(μmol·cm-2)의 양으로 생성됐다.

이는 생성된 전하가 대부분 실제 수소와 산소 생산 반응에 사용됐음을 의미하며, 투입된 전기가 얼마나 효율적으로 활용됐는지를 나타내는 패러데이 효율은 85.5%를 기록했다.

이번 연구는 그동안 물속에서 불안정해 활용이 어려웠던 페로브스카이트 양자점을 실제 광전기화학 물 분해 시스템에 적용한 사례로, 양자점이 직접 반응에 참여하는 것이 아니라 빛 흡수와 전하 이동을 돕는 ‘촉진자(promoter)’ 역할을 한다는 점을 규명했다.

특히 양자점을 활용해 산화텅스텐 표면의 전기장을 강화함으로써 빛 조사 시 전하 이동을 촉진하고 산소 생성 반응을 활성화하는 구조적 개선 효과를 확인했다.

이를 통해 고효율·저비용 태양광 수소 생산 시스템 구현을 위한 새로운 설계 전략을 제시했다.

GIST 고등광기술연구원 이창열 수석연구원은 “이번 연구는 수중 환경에서 불안정해 활용이 어려웠던 페로브스카이트 양자점을 실제 물 분해 광전극에 적용하고, 전하 이동과 계면 구조를 동시에 개선한 최초 사례”라며, “양자점 기반 광전극 설계를 통해 고성능 태양광 수소 생산 소재 개발의 새로운 방향을 제시했다”고 밝혔다.

■ 용어설명

실리카 보호층(SiO2 shell): 페로브스카이트 양자점의 표면을 매우 얇은 두께의 치밀한 보호막으로 감싸 수분·전해질 등 외부 환경으로부터 소재를 보호하는 층. 전하가 통과할 수 있을 만큼 얇아 광전하 이동을 방해하지 않으면서도 소재의 구조적·광학적 특성을 안정적으로 유지하는 역할을 한다.

패러데이 효율(Faraday efficiency): 전기화학 반응에서 실제로 투입된 전하량 대비 목표 생성물(수소, 산소 등)이 실제로 생성된 비율을 나타내는 지표로 값이 높을수록 전류가 원하는 반응(물 분해)에 효과적으로 사용됐음을 의미하며, 부반응이나 전하 손실이 적다는 것을 뜻한다.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)