울산과학기술원(UNIST)이 태양에너지를 받아 곧바로 수소를 만드는 인공나뭇잎을 개발했다. 고효율은 물론 안정성, 확장성까지 갖춰 인공광합성 기술 상용화를 앞당길 것으로 예상된다.
UNIST는 이재성·석상일·장지욱 에너지화학공학과 교수팀(이하 이 교수팀)이 고효율·고내구성·대면적 확장성을 모두 갖춘 '모듈형 인공나뭇잎'을 개발했다고 23일 밝혔다.
'인공나뭇잎'은 실제 나뭇잎처럼 햇빛과 물만으로 수소를 생산한다. 외부 전력을 사용하지 않고, 수소 생산 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않는 그린수소 생산기술이다. 기존 태양전지 기반 전기분해 방식(PV-EC)과 달리 광에너지를 직접 화학에너지로 전환하는 구조여서 손실이 적고 설치 면적도 줄일 수 있다.
하지만 낮은 효율과 내구성, 대면적 확장성이 어렵다는 점이 상용화에 제약이었다.
이 교수팀은 '모듈형 인공나뭇잎'을 개발해 이러한 제약을 개선했다. '모듈형 인공나뭇잎'은 페로브스카이트 기반 태양광 흡수층과 니켈-철-코발트 촉매를 활용한 1㎠ 단위의 고효율 광전극을 4×4 배열로 모듈화한 인공나뭇잎이다.
가장 큰 특징은 별도 전원 없이 태양광만으로 안정적 수소 생산이 가능하다는 점이다. 시험 결과, 모듈 전체의 태양광 수소 전환 효율(Solar to Hydrogen Efficiency, STH)이 11.2%를 나타냈다. 현재까지 보고된 인공나뭇잎 STH 가운데 최고 수준이다.
이 교수팀은 염소 첨가 페로브스카이트 흡광층(Cl:FAPbI₃)과 자외선에 강한 전자수송층(Cl:SnO₂), 그리고 촉매층(NiFeCo)을 적절히 조합해 고효율과 안정성을 동시에 확보했다. 전극의 수분 노출에 의한 손상을 막기 위해 특수 니켈 포일과 수지 봉지 기술을 적용한 결과, 140시간 연속 작동에서도 99%의 초기 성능을 유지했다.
이재성 교수는 “실험실 수소 생산을 넘어 실제 현장에서 사용 가능한 수준의 모듈형 인공광합성 장치를 개발하고, 상용화 기준인 10% 이상의 효율을 달성했다”며 “태양전지 패널처럼 대면적 인공나뭇잎 패널로 확장도 가능해 상업화에 결정적 진전을 이뤄냈다”고 말했다.
이번 연구 성과는 5월 6일자 네이처커뮤니케이션즈에 실렸다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com