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전남대 강순형 교수(화학교육과) 연구팀은 미국 신재생에너지 연구소 Kai Zhu 박사와 포항 가속기 연구소 이국승 박사팀과의 공동연구를 통해 BiVO4 광전극 기반 인공 광합성 원리를 이용해서 그린 수소 생산 기술을 개발했다.
연구팀이 개발한 ‘광전기화학적 수소 생산법’은 친환경적인데다 생산 단가가 낮다는 장점이 있다. 다만 상용화 단계인 ‘수전해 기술’에 비해 효율이나 안정성이 낮아 후속 연구가 더 필요한 실정이다.
연구팀은 저가형 소재로 분류되는 BiVO4 광전극을 이용해, HfO2 보호층과 NiPt 단원자 촉매를 도입해서 강한 광전극을 제작했으며, 이는 소자의 강한 부식성을 억제함으로써 800시간 이상의 고안정성이라는 특성을 확보할 수 있었다. 이는 상용화에 필요한 광안정성 1000시간에 육박한 결과라는 것과, one sun 태양광(100 mW/cm2) 하에서 세계 최초로 장기적인 성능을 입증했다는 측면에서 큰 의의가 있다.
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전남대 강순형 교수연구팀의 그린수소 생산기술 상용화 논문 표지. |
연구팀이 개발한 BiVO4 광전극 기반 자가 구동 광전기화학적 물 분해 소자는 6.0% 태양광 수소 변환 효율을 달성했으며, 이는 BiVO4 소재의 이론 효율의 90% 가량을 달성했다는 점에서 더욱 놀라운 결과다.
또, 연구팀은 상용화에 필요한 1,000시간 이상의 광안정성을 달성하기 위한 다양한 표면 제어 소재 및 기술을 계속해서 연구하고 있으며, BiVO4 광전극 소재를 기반으로 대면적 광전기화학 시스템의 개발을 통한 실용화로의 가능성을 검증하기 위한 연구를 수행하고 있다.
한편, 이 연구는 한국연구재단의 미래수소원천기술개발과 대학중점연구소지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 소재 분야 최고 권위의 국제 학술지인 ‘Advanced Energy Materials(IF=24.4, 상위 2.6%)’에 11월호 ‘표지 논문’으로 게재됐다.
전남대 강순형 교수는 “이번 연구는 광전기화학적 수소 생산 기술 발전에 큰 변화를 불러일으킬 수 있는 광전극 소재 기술을 제시했으며, 상용화 수준에서 광전극을 이용한 수소 생산이 가능할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다”고 설명했다.
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