광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 이창렬 고등광기술연구원(APRI) 수석연구원과 김정규 성균관대학교 화학공학부 교수, 김태훈 전남대학교 신소재공학부 교수팀이 공동으로 물속에서도 안정적으로 작동하는 고효율 '양자점 복합 광전극'을 개발했다고 7일 밝혔다.
태양광을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하려면, 빛을 받아 전기를 생성하고 물 분해 반응을 유도하는 광양극이 필수적이다. 대표적 광양극 소재인 산화텅스텐은 물속에서도 안정적이지만 빛을 전하로 변환하는 효율이 낮다는 한계가 있다. 반면 빛을 잘 흡수하는 나노 소재인 페로브스카이트 양자점은 물과 빛에 노출되면 쉽게 분해되는 불안정성이 한계로 지적돼 왔다.
연구팀은 두 소재의 장점을 결합하면서 단점을 극복하기 위해 빛을 잘 흡수하는 나노 입자인 '양자점'을 매우 얇은 보호막으로 감싼 '핵-껍질(core-shell)' 구조를 설계했다. 이 보호층은 물과 전해질의 침투는 막으면서도 전하는 통과시킬 만큼 얇아 전기적 성능 저하 없이 안정성을 확보했다.
특히 이 구조는 단순한 보호 역할을 넘어 양자점과 산화텅스텐 사이의 에너지 차이로 인해 전자가 한 방향으로 이동하도록 유도하는 '내부 전기장'을 강화하는 효과까지 만들어냈다. 빛으로 생성된 전하가 다시 사라지는 재결합은 줄어들고, 양전하와 음전하가 서로 반대 방향으로 빠르게 분리됐다.
그 결과 물 분해 반응 효율이 크게 향상되면서 고효율 광전극 구현 가능성을 높였다. 실제 성능 평가에서도 뚜렷한 개선을 확인했다.
연구팀이 개발한 복합 전극은 기존 산화텅스텐 대비 약 2.2배 높은 전류를 생성했다. 12시간 동안 연속으로 작동했음에도 전류 감소가 거의 없어 수중 환경에서 장기 안정성이 유지되는 것을 확인했다.
수소 생산 성능 평가에서도 높은 효율을 보였다. 물을 전기로 분해해 수소와 산소를 만드는 실험에서 수소와 산소가 각각 80.05, 40.01㎠㏖의 양으로 생성됐다. 생성된 전하가 대부분 실제 수소와 산소 생산 반응에 사용됐음을 의미하며, 투입된 전기가 얼마나 효율적으로 활용됐는지를 나타내는 패러데이 효율은 85.5%를 기록했다.
이번 연구는 고효율·저비용 태양광 수소 생산 시스템 구현을 위한 새로운 설계 전략을 제시한 것이다.
이창열 수석연구원은 “이번 연구는 수중 환경에서 불안정해 활용이 어려웠던 페로브스카이트 양자점을 실제 물 분해 광전극에 적용하고, 전하 이동과 계면 구조를 동시에 개선한 최초 사례”라며, “양자점 기반 광전극 설계로 고성능 태양광 수소 생산 소재 개발의 새로운 방향을 제시했다”고 말했다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
