태양광으로 수소 만든다…생체고분자 기반 광촉매 개발

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KBSI·인천대·폴란드 AMU·스페인 바르셀로나대 공동연구

한국기초과학지원연구원(KBSI·원장 신형식)은 김해진 소재분석연구부 박사팀이 주도하는 국제공동연구팀이 태양광을 이용, 수소를 고효율 생산하는 생체고분자 기반 광촉매 개발에 성공했다고 15일 밝혔다. 이 광촉매는 안정적인 상태를 유지하면서 태양광으로 물을 분해하는 친환경 방법으로 수소를 생산한다.

생체고분자-반도체 접합구조체를 이용한 고효율 전하-정공분리 및 태양광 기반 수소 발생 광촉매 응용 모식도
<생체고분자-반도체 접합구조체를 이용한 고효율 전하-정공분리 및 태양광 기반 수소 발생 광촉매 응용 모식도>

이번에 공동연구팀이 개발한 새로운 광촉매는 황화아연 반도체(ZnS) 나노막대기에 생체고분자 물질인 폴리도파민을 나노미터(㎚) 수준으로 균일하게 코팅한 '생체고분자·반도체' 복합체로, 기존 반도체(ZnS) 촉매 대비 두 배 이상 수소 생산능력과 뛰어난 광안정성을 보였다.

태양광만으로 물을 분해해 수소를 생산하는 방법은 생산 효율이 저조하고 광안정성도 매우 낮다는 단점이 있었다.

김해진 KBSI 책임연구원
<김해진 KBSI 책임연구원>

공동연구팀이 개발한 광촉매 1g을 이용하면 시간 당 48.5밀리리터(㎖) 수소 기체를 생산할 수 있다. 이는 기존 반도체 촉매 대비 최대 220% 증가된 것이다. 연구팀은 생체고분자·반도체 계면을 정확하게 분석하고 그 특성을 제어해 생산효율을 극대화 했다.

개발 촉매는 또 24시간 동안 빛에 노출된 후에도 약 78% 수소 생산 효율을 유지하는 광안정성을 보였다. 생체고분자 물질인 폴리도파민과 접합, 수소생산효율과 광안정성이 동시에 개선됐다.

김연호 인천대 교수
<김연호 인천대 교수>

이번 국제공동연구에는 KBSI를 비롯해 인천대, 폴란드 아담 미츠키에비츠대(AMU), 스페인 바르셀로나대가 참여했다. KBSI 연구팀은 새로운 광촉매 소재의 전자현미경 분석, 표면 특성 분석, 이론계산 등을 수행했다.

김해진 박사는 “이번 연구는 수소 생성이란 하나의 연구 목적을 위해 서로 다른 분야에 사용되던 소재를 융합해 새로운 가능성을 제시한 것”이라고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com