값싼 소재 활용 청정 수소 생산 효율 10% 돌파
[베리타스알파=김하연 기자] 성균관대 화학공학과 양우석 교수와 조새벽 교수 연구팀, 그리고 한국과학기술연구원(KIST) 손해정 박사 연구팀은 저비용 니켈 화합물 촉매를 활용해 유기물 광흡수층* 소재 기반 최고 효율의 태양광 수소 생산 장치를 개발했다고 밝혔다.
* 유기물 광흡수층: 유기 재료로 구성된 반도체층으로, 태양광을 흡수해 전자를 생성하는 역할을 하며, 저독성/고흡광/가공 용이성 등의 장점으로 차세대 수소 생산 광흡수 소재로 주목받고 있다.
태양광을 이용한 수소 생산은 온실가스를 배출하지 않는 차세대 청정 에너지 기술로 각광받고 있지만, 상용화를 가로막는 가장 큰 걸림돌은 높은 제조 비용과 낮은 효율이다. 특히, 백금과 같은 고가의 귀금속 촉매와 무기 반도체 기반 광흡수층은 소재비용을 급격히 증가시킨다.
본 연구에서는 지구상에 풍부하고 저렴한 니켈 기반 촉매(Ni-Heazlewoodite)와 3성분계 유기물 광흡수층을 활용한 통합형 수소 생산 장치를 개발했다. 니켈 촉매는 셀레늄 (Se)을 첨가해 수소 발생 반응의 활성점을 증가시키고 전하 이동을 개선했으며, 유기물 광흡수층은 PM6, D18, L8-BO로 구성된 벌크 이종접합 구조를 적용해 고광전류와 충분한 광전압을 동시에 확보했다. 이 모든 소재를 단순한 구조의 소자에 통합해 무전해 조건에서 10% 이상의 태양광-수소 변환 효율을 달성했다.
교신저자인 성균관대 양우석 교수는"현재 고성능 태양광 수소 생산 소자는 너무 비싸고, 값이 저렴한 소자는 효율이 낮다."며 "이번 연구는 니켈 기반 촉매와 3성분계 유기물 광흡수층을 이용해 가격과 성능, 두 마리의 토끼를 잡아 청정 수소 생산 기술의 상용화에 중요한 마일스톤이 될 것으로 기대한다"고 말했다. 또한 KIST 손해정 박사는"태양광에너지를 활용한 수소 생산은 향후 무탄소에너지원의 핵심기술이 될 것이다"라고 밝혔다.
이 연구결과는 한국연구재단 개인 기초연구사업 및 사업통상자원부 소재부품기술개발사업의 지원으로 수행됐으며 에너지분야 국제학술지 Carbon Energy 에 4월 2일에 게재됐다.