전남대학교는 강순형 화학교육과 교수팀은 카이 주 미국 신재생에너지 연구소 박사와 이국승 포항 가속기 연구소 박사팀과의 공동연구를 통해 바나듐산 비스무트(BiVO₄) 광전극 기반 인공 광합성 원리를 이용해서 그린 수소 생산 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.
연구팀이 개발한 '광전기화학적 수소 생산법'은 친환경적인데다 생산 단가가 낮다는 장점이 있다. 다만 상용화 단계인 '수전해 기술'에 비해 효율이나 안정성이 낮아 후속 연구가 더 필요한 실정이다.
연구팀은 저가형 소재로 분류되는 BiVO₄ 광전극을 이용해, 이산화하프늄(HfO₂) 보호층과 니켈플래티넘(NiPt) 단원자 촉매를 도입해 강한 광전극을 제작했다. 소자의 강한 부식성을 억제함으로써 800시간 이상의 고안정성이라는 특성을 확보할 수 있었다. 이는 상용화에 필요한 광안정성 1000시간에 육박한 결과라는 것과, 원 썬(one sun) 태양광(100 ㎿/㎠) 하에서 세계 최초로 장기적인 성능을 입증했다는 측면에서 큰 의의가 있다.
연구팀이 개발한 BiVO₄ 광전극 기반 자가 구동 광전기화학적 물 분해 소자는 6.0% 태양광 수소 변환 효율을 달성했다. BiVO₄ 소재의 이론 효율의 90% 가량을 달성했다는 점에서 더욱 놀라운 결과다.
상용화에 필요한 1000시간 이상의 광안성을 달성하기 위한 다양한 표면 제어 소재 및 기술을 계속해서 연구하고 있다. BiVO₄ 광전극 소재를 기반으로 대면적 광전기화학 시스템의 개발을 통한 실용화로의 가능성을 검증하기 위한 연구를 수행하고 있다.
이 연구는 한국연구재단의 미래수소원천기술개발과 대학중점연구소지원사업의 지원을 받아 수행했다. 국제 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'에 11월호 '표지 논문'으로 게재됐다.
강순형 교수는 “이번 연구는 광전기화학적 수소 생산 기술 발전에 큰 변화를 불러일으킬 수 있는 광전극 소재 기술을 제시했으며, 상용화 수준에서 광전극을 이용한 수소 생산이 가능할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.”고 설명했다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
