저가 니켈산화물 활용해 광전환율 최대 97%까지 향상

수소를 연료로 사용하면 대기오염 없이 산소와 결합돼 물만 배출한다고 해서 미래 청정에너지로 주목받고 있다. 그러나 현재는 수소를 만들기 위해 화석연료를 사용해야 하기 때문에 오히려 이산화탄소 같은 온실가스 등 오염물질 배출이 더 많아지는 딜레마에 빠지게 된다. 이 때문에 햇빛을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하려는 시도가 활발하지만 햇빛을 전기로 바꾸는 효율이 낮아 상용화에 어려움을 겪고 있다.

국내 연구진이 햇빛을 전기로 바꾸는 효율을 높이는 기술을 개발해 수소 연료 생산에 청신호가 들어왔다.

아주대 신소재공학과 서형탁 교수팀은 햇빛을 전류로 전환시키는 효율을 높여 수소 생산량을 늘릴 수 있는 광전극을 개발했다고 9일 밝혔다. 이번 연구결과는 촉매화학 분야 국제학술지 ‘응용 촉매 B:환경’ 최신호에 실렸다.

기존 연구들은 햇빛을 전기로 바꾸는 광전류 전환 효율을 높이기 위해 태양광을 흡수해 전하를 잘 만들어 내는 소재개발에 집중돼 있었지만 연구팀은 전하를 양극과 음극으로 효율적으로 분리하고 전하의 손실을 최소화하는 방향으로 생각을 바꿨다.

이런 아이디어를 바탕으로 연구팀은 태양광으로 만들어진 전하의 이동을 촉진시킬 수 있는 전극을 만들어 광전류 전환 효율을 현재 60% 수준에서 최대 97%까지 향상시키는데 성공했다. 이를 활용해 수소를 생산할 경우 1㎠ 광전극에서 시간당 3㎎의 수소기체를 만들어 낼 수 있는 것으로 확인됐다.

연구팀은 이산화티타늄 나노막대와 황화물 박막 위에 니켈 산화물 박막을 수직으로 쌓는 텐덤 구조를 적용해 단일 전극으로 다양한 광파장을 흡수할 수 있도록 했다.

서형탁 교수는 “이번 연구는 저가의 니켈산화물을 활용해 텐덤구조를 만듦으로써 최고 수준의 광전환 효율로 수소를 만들어 낼 수 있게 했다는데 큰 의미가 있다”고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr