물속에서 햇빛을 받아 수소를 만드는 ‘인공나뭇잎’의 새 형태가 나왔다. 인공나뭇잎은 식물 광합성의 원리를 본떠 수소를 생산하는 장치다. 새로 개발된 장치는 효율이 월등히 높은데다 제작 단가도 낮아 실용화로 가는 중요한 이정표를 세웠다고 평가받는다.
이재성 에너지 및 화학공학부 교수팀은 햇빛을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 인공나뭇잎을 개발했다. 이 장치는 태양전지와 광촉매가 하나로 묶인 ‘단일 구조체(monolithic device)’로, 효율이 획기적으로 향상돼 기존 인공나뭇잎을 다음 세대로 진보시킨 형태다.
식물은 뿌리에서 물을 흡수하고, 잎에서 이산화탄소를 받아들인다. 잎은 햇빛을 받아 물을 산소와 수소로 분해하는데, 산소는 밖으로 배출하고 수소는 탄소와 결합해 영양분으로 만든다. 우리에게 잘 알려진 광합성의 원리다. 인공나뭇잎은 식물의 광합성처럼 물을 수소와 산소로 분해해 수소를 얻는다. 이 개념은 2011년 하버드대 다니엘 노세라 교수가 발표했는데, 당시에는 실리콘 태양전지 삼중접합(Triple junction)을 이용한 형태가 제안됐다.
이재성 교수는 “인공나뭇잎 개념은 수소 생산에 활용할 수 있는 좋은 아이디어였지만 실리콘 태양전지의 단가가 높아 경제성이 떨어진다”며 “실용화를 위해서는 더 싸고 효율적인 구조체가 필요하다”고 연구 배경을 소개했다.
이 교수팀은 값싸고 안정하며 친환경적인 ‘비스무스 바나데이트 산화물(BiVO₄)’을 광촉매로 활용했다. 여기에 두 종류의 원소를 도핑(doping)하고 코발트를 조촉매로 도입해 성능을 높였다. 햇빛을 흡수하는 역할은 주로 광촉매가 담당하고 페로브스카이트 태양전지는 보조전지로 붙는다. 두 요소 모두 저렴해 전체적인 가격도 낮췄다.
비스무스바나데이트 광전극과 페로브스카이트 보조 태양전지를 전선 없이 조립한 인공 나뭇잎 모식도(좌)와 물속에서 햇빛을 받아 물을 분해하는 인공나뭇잎의 모습(우).
이번 연구를 주도한 김진현 UNIST 파견연구원(POSTECH 박사과정)은 “새로운 인공나뭇잎은 광촉매 전극 1개와 태양전지 1개를 이용하는 이중 접합(double junction) 구조라 제작단가를 낮출 수 있었다”며 “광촉매를 이루는 각각의 소자 역시 다른 물질보다 싸고 합성이 쉬운 물질로 이뤄져 가격 경쟁력을 갖췄다”고 설명했다.
이렇게 만든 인공나뭇잎은 각 요소가 선 없이(wireless) 연결된 단일 구조체다. 자연계에서 가장 뛰어난 에너지 흡수·저장 방식인 식물의 광합성과 가장 가까운 형태을 갖춘 것이다. 또 태양광 전환효율은 5%로 기존 인공나뭇잎(3%)보다 향상됐다.
이재성 교수는 “인공나뭇잎으로 수소를 생산하는 기술이 실현되려면 효율과 가격 경쟁력이 모두 달성돼야 한다”며 “일반적으로 실용화를 위한 효율은 10% 정도로 보고 있는데, 이번 연구가 중요한 전환점을 마련한 것”이라고 평가했다.
그는 이어 “값싸고 안정성이 뛰어난 광촉매 재료를 이용한 ‘제2세대 인공나뭇잎’은 제1세대 인공나뭇잎에 비해 구조뿐 아니라 효율 측면에서도 진보를 이뤘다”고 덧붙였다.
이번 연구 결과는 미국화학회에서 발행하는 최고 권위의 저널 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)에 게재됐다. 이 연구는 미래창조과학부가 추진하는 인공광합성센터(소장 윤경병)와 산업통상자원부의 지원으로 수행됐다.
▲위 동영상은 물 속에 들어간인공나뭇잎이 태양광을 받아 물을 수소(HER)와 산소(OER)로 분해하는 모습이다. 기포가 생성되는 모습이 선명하게 드러난다.
