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.
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
