레고 블록처럼 촉매를 쌓아올려 인공광합성의 효율을 높이는 기술이 개발됐다. 촉매와 접착 물질이 각각 녹아있는 물에 전극을 번갈아 담그면 크기나 형태에 관계없이 쉽고 간편하게 촉매를 쌓아올릴 수 있어 다양한 활용이 기대된다.
UNIST 에너지 및 화학공학부 류정기 교수 연구팀은 ‘다층박막적층(Layer-by-Layer) 기법’을 이용해 물속에서 인공광합성용 촉매를 결합하는 기술을 개발했다. 이 방법은 저렴한 촉매를 이용하는데다 공정 방식이 간단하고, 전극의 손상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
이번 연구 성과는 우수성을 인정받아 화학 분야에 저명한 국제학술지인 ‘그린 케미스트리(Green Chemistry)’ 최신판(8월 13일자)에 표지 논문으로 게재됐다.
인공광합성은 자연의 광합성 시스템을 모방해 태양에너지를 유용한 자원으로 바꾸는 기술이다. 태양광과 전해액, 광전극만 있으면 친환경적인 에너지를 만들 수 있고 특히 수소를 생산할 수 있어 차세대 에너지 생성 기술로 주목 받고 있다.
다층박막적층법이 적용된 전극시스템 개략도. 촉매다중층이 적용되며 높은 효율과 안정성이 확보됐다.
문제는 광전극의 낮은 효율성이다. 하지만 지금까지 광전극 효율 개선을 위해 시도된 방법들은 백금 등 고가의 촉매 물질을 사용해야 했으며, 물질의 종류나 양을 조절하기 어려웠다. 또한 촉매를 적용하는 과정에서 고온 ‧ 고압의 진공장비 활용이 필수적이었고, 장비 활용에 따른 광전극의 손상도 발생하곤 했다.
연구진은 이러한 어려움을 피하기 위해 광전극 위에 양의 전하(+)를 띠는 물질과 음의 전하(-)를 띠는 물질을 서로 순서대로 쌓는 다층박막적층 기법의 접목을 시도했다. 이 기법은 자석이 서로 끌어당기듯 물질들이 서로를 끌어당기며 쌓이는 원리를 기반으로 한다.
연구진은 상온의 물에 양의 전하를 갖는 고분자 물질 ‘폴리에틸렌이민(PEI)’과 음의 전하를 갖는 저렴한 물 분해 촉매 ‘폴리옥소메탈레이트(POM)’를 각각 녹였다. 이후 광전극을 각 물질이 녹아있는 수조에 번갈아 담그며 촉매를 쌓았다. 각 수조에 5분 정도 담그면 전극에 물질이 접착되는 방식이다.
고분자 물질(PEI)과 물분해 촉매(POM)은 각각 양의 전하와 음의 전하를 띠고 있어 정전기적 결합을 이룬다.
이렇게 형성된 촉매 다중층(Catalytic Multilayer)은 광전극의 효율과 안정성을 동시에 확보할 수 있었다. 연구진이 산소 생성을 위한 광양극(BiVO₄)에 10개 층, 수소 생성을 위한 광음극(Cu₂O)에 15개 층의 촉매를 쌓아 실험을 진행한 결과 이들 전극은 촉매가 없는 광전극에 비해 효율이 약 10배 높아졌다. 연구팀은 이번 연구결과를 바탕으로 최적의 촉매와 그 두께를 찾아 인공광합성 효율을 높이기 위한 연구를 계속해나갈 계획이다.
연구진이 구성한 전체전극 반응시스템. 수소와 산소를 동시에 발생시켰다.
류정기 교수는 “이번에 개발한 촉매층 형성법은 촉매의 종류나 양을 원하는 형태와 두께로 쉽고 간편하게 형성할 수 있는 기술”이라며 “물에 담그기만 하면 되는 간단한 공정을 거치기 때문에 기존에 진공장비 사용으로 인해 발생하던 전극 손상문제도 방지할 수 있다”고 설명했다.
한편 이번 연구는 에너지공학과의 류정기 교수와 김현우, 배상현 석 ‧ 박사통합과정 연구원이 함께 참여했다. 연구지원은 한국연구재단의 신진연구자지원 사업, 나노소재기술개발사업, 기후변화대응기술개발사업을 통해 이뤄졌다.
(논문명: Fully-Solution Processable Cu2O-BiVO4 Photoelectrochemical Cells for Bias-free Solar Water Splitting )
그린 케미스트리(Green Chemistry) 표지로 선정된 연구결과 그림. 광전극 위에 얇은 가닥 모양의 ‘고분자물질(PEI)’과 구슬 형태를 가진 인공광합성 ‘촉매(POM)’가 겹겹이 쌓여 물을 분해하는 과정을 그렸다. 왼쪽에서는 산소가, 오른쪽에서는 수소가 발생하는 것을 나타냈다.
