울산과학기술원(UNIST)은 장지욱·장성연 에너지화학공학과 교수팀(이하 장 교수팀)이 부식을 차단한 금속 황화물(황화납) 양자점 기반 태양광 수소 생산 광전극(Photoanode)을 개발했다고 29일 밝혔다.
금속 황화물 광전극의 부식 문제를 해결한 기술로 태양광을 광전극에 쪼여 전기 없이 수소를 생산하는 태양광 수소 생산기술 조기 상용화에 기여할 전망이다.
태양광 수소 생산기술은 물속(전해질)에 담긴 광전극에 햇빛을 쪼여 물을 수소와 산소로 분해한다. 광전극 반도체층이 빛을 받아 전하 입자를 만들고, 이 전하 입자가 물을 분해하는 전기화학 반응을 일으켜 수소가 나오는 원리다.
금속 황화물 광전극은 고성능 반도체층을 지녔지만 부식 문제를 안고 있다. 금속 황화물이 물에 잠긴 채 햇빛을 받으면 산화·분해되기 때문이다.
이를 막기 위해서는 금속 황화물 대신 분해되는 고가의 '희생제'를 지속적으로 투입해야 했고, 이것이 태양광 수소생산의 경제성을 낮추는 주요 요인이었다.
장 교수팀은 두 종류의 금속이 광전극 표면을 감싸는 방식으로 희생제 없이도 뛰어난 내구성을 지닌 황화물 광전극을 개발했다. 두 종의 금속은 니켈과 필드 합금이다.
양자점 표면을 감싼 니켈 호일은 물리적 보호막을 형성하고 액체 금속인 필드는 니켈 호일과 양자점 사이에 생기는 미세한 틈새를 밀봉해 수분(전해질) 침투를 원천 차단한다. 니켈 호일은 물 분해 반응을 돕는 촉매 역할도 해 반응 효율을 높일 수 있다.
장 교수팀은 광전극이 장시간 햇빛에 노출되면 광전극 내부로 침투한 자외선이 전자 전달층과 반응해 광전극을 노화시킨다는 사실도 새롭게 밝혀냈다.
이에 역적층 구조를 광전극에 적용해 내구성을 높였다. 자외선을 잘 흡수하는 황화물 반도체층이 빛을 먼저 받고, 자외선에 취약한 내부 전자 전달층은 직접 자외선에 노출되지 않는 구조다.
장 교수팀이 개발한 광전극은 희생제를 투입하지 않은 일반 수용액 환경에서 세계 최고 수준인 18.6㎃/㎠의 광전류 밀도를 나타냈다. 24시간 연속 운전 후에도 초기 성능의 약 90%를 유지했다. 희생제를 투입한 조건의 황화물 광전극 성능과 견줄 만한 수치다. 역적층 구조를 적용한 광전극은 100시간 넘게 성능 저하 없이 작동했다.
장지욱 교수는 “값비싼 희생제 없이도 미국 에너지부가 제시한 상용화 기준(20㎃/㎠)에 버금가는 효율에 내구성까지 확보했다. 차세대 수소 생산기술 상용화를 앞당기는 발판이 될 것”이라고 말했다.
연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션즈' 지난달 11일자에 실렸다. 연구 수행은 한국연구재단 과제와 과학기술정보통신부 이노코어(InnoCORE) 프로그램 지원을 받았다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com