이상한(왼쪽 위 시계방향으로) 교수, 서장원 교수, 서세훈, 김영윤, 최호중 박사.[GIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 친환경 그린수소 생산을 위한 세계 최고수준의 효율과 수명을 구현한 기술을 개발했다.

광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 이상한 교수와 카이스트(KAIST) 서장원 교수, 한국화학연구원 공동연구진은 ‘광생성 캐리어’ 손실을 억제하는 새로운 기술을 적용해 ‘유기금속 할라이드 페로브스카이트(이하 페로브스카이트) 광전극’을 개발했다.

페로브스카이트는 유-무기 화합물로 넓은 영역의 빛을 흡수하여 많은 광생성 캐리어를 생성할 수 있어 차세대 광반도체로서 각광받고 있다.

전 세계적으로 탄소 중립이 주목받고 있는 오늘날, 수소에너지는 필수적으로 생산해야하는 친환경 에너지다. 그러나 대부분의 수소는 화석연료로 생산되고 부산물로 이산화탄소까지 배출하기 때문에 태양광으로 생산한 ‘그린 수소’ 생산 기술이 반드시 필요하다.

태양광을 이용해서 그린 수소를 생산할 때는 광전기화학적 물분해 방법이 주로 이용된다. 광전극이 태양광을 흡수해 광생성 캐리어를 생성하고 이 광생성 캐리어가 물을 분해해서 그린 수소를 생산하는 방식인데, 이때 광생성 캐리어가 손실되면 광전극의 효율이 떨어지게 된다.

연구팀은 광생성 캐리어의 손실을 억제하는 두 가지 핵심 기술을 적용해 세계적 수준의 페로브스카이트 광전극을 개발하는데 성공했다.

첫 번째로 단분자 유기물인 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드를 광전극의 산화주석 위에 도포해 산화주석과 페로브스카이트 경계면 사이의 결함을 제어한 결과, 광생성 캐리어가 전기에너지로 전환되지 못하고 열에너지로 방출되는 현상을 감소시킬 수 있었다.

니켈 포일 위에 합성된 철 이중층수산화물과 결합된 페로브스카이트 광양극의 모식도.[GIST 제공]

두 번째로 광전극의 니켈 포일 보호층에 합성된 니켈-철 이중층수산화물 촉매를 철이 도핑된 황화니켈 촉매로 바꿔서 광전극과 전해질 사이의 물분해 반응을 촉진할 수 있었다.

연구팀은 광전극 내부에서 결함을 제어하고 외부에서 물분해 반응을 촉진함으로써 내‧외부 광생성 캐리어의 손실을 효과적으로 억제했다. 그 결과 세계적 수준인 12.8%의 광전극 효율을 달성했을 뿐만 아니라 12시간 사용 후에도 10.2%만 효율이 감소하는 높은 안정성을 얻었다.

이상한 교수는 “이번 연구성과는 기존 방식을 벗어나 ‘손실 제어’ 기술로 세계적 수준의 효율과 안정성을 갖춘 페로브스카이트 광전극 제작이 가능하다는 점을 밝혀냈다”며 “차세대 광전극에 적용해 그린 수소 생산성을 높이는데 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.

이 교수가 주도하고 카이스트 생명화학공학과 서장원 교수가 공동 참여했으며 지스트 신소재공학부 최호중 박사, 한국화학연구원 김영윤 박사, 미국 로렌스 버클리 국립연구소 서세훈 박사가 수행한 이번 연구는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 6월 17일 게재됐다.