[대학저널 황혜원 기자] 아주대학교(총장 박형주)는 서형탁 신소재공학과 교수팀이 단일 소재를 이용한 물 분해 광전극 개발에 성공했다고 13일 밝혔다.
서 교수팀의 이번 연구 결과는 무공해 방식으로 수소 연료를 생산할 수 있는 저비용 고효율 광전극으로 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
이번 연구에는 칼라누르 샨카라 교수가 제1저자로 함께 참여했으며, 관련 내용은 ‘이상적인 도핑과 일함수 조절을 통한 {002}면으로 정렬된 1차원 텅스텐 산화물의 태양광 물 분해 개선 효과’라는 논문으로 촉매 분야 국제 학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈’ 지난 6일자 온라인판에 게재됐다.
수소는 연료로 사용된 후 물이 배출돼 최근 차세대 에너지 청정 연료원으로 주목받고 있다. 연료로서 수소를 생산하기 위해서는 화석 연료를 개질하는 방식이 주로 사용되고 있는데, 이 과정에서 수소 생산 중량의 9배가 넘는 이산화탄소도 같이 배출된다.
이산화탄소 등의 공해 물질의 배출을 줄이기 위해 전기나 태양광을 이용하는 광·전기 화학적 물 분해 기술에 대한 연구가 최근 활발히 이뤄지고 있지만, 기존 화석연료 개질 방식에 비해 매우 낮은 생산 효율성을 보여 한계점으로 인식됐다.
생산 효율 극복을 위해 태양광 물 분해시스템에서 광전극의 광 반응 특성을 향상시키고 장기 반응 내구성을 확보해야 하는데, 단일 소재 광전극은 한계를 보여 왔다. 이에 여러 소재를 적층해 광전극을 형성하는 ‘탠덤’ 구조에 대한 연구가 많이 이뤄지고 있지만 공정이 복잡하고 광전극의 특성 재현성이 낮아진다.
서 교수연구팀은 효율 향상의 한계에 봉착했던 텅스텐 산화물(WO3) 광전극에 주목했다. 단일 소재에 소량(1.14%)의 이트리움(Y)을 도핑할 경우 1차원 텅스텐 산화물 나노로드의 결정 방향이 광화학적으로 활성이 높은 {002}면에 정렬된다는 점을 발견했다. 연구진은 최적 도핑 농도 와 공정 확보를 위해 수십 가지 경우의 불순물 농도를 검증, 최적 조건을 찾아냈다.
연구팀은 최적 조건으로 이트리움이 도핑된 텅스텐 산화물에서 광전류가 200% 가량 대폭 향상되며, 촉매에 흡수된 빛에 의한 광전류의 수소 전환 효율은 95%에 이른다는 점을 확인했다. 이외에도 극소량의 도핑으로도 저항 감소, 전자구조 변화, 표면일함수 변화 등 다양한 물리·화학적 특성이 달라질 수 있음을 확인했다.
서 교수는 “저가의 텅스텐 산화물에 극소량의 불순물 도핑을 통해 고효율 단일소재 기반의 나노구조 광전극 제조에 성공한 사례”라며 “이를 통해 최고 수준의 전환 효율로 수소를 생산할 수 있음을 확인했고, 앞으로 안정성을 더욱 개선해 실용화를 목표로 연구를 이어가겠다”고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 기초연구지원사업의 지원과 해외우수신진인력지원사업의 지원으로 수행됐다.
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