최근 태양광을 기반으로 수소와 고부가가치 화합물이 생산 가능한 광촉매가 개발돼 주목받고 있다. 개발된 촉매는 독성이 없고 및 친환경적이기 때문에 이를 활용한 그린 수소 생산 상용화 기술의 귀추가 주목된다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 류정기 교수팀과 POSTECH(총장 김무환) 화학과 박수진 교수팀은 공동 연구를 통해 태양광을 기반으로 수소 및 고부가화합물의 생산이 동시에 가능한 하이브리드 실리콘 광촉매를 개발했다. 이는 실리콘 광촉매의 단점을 보완한 고안정성 광촉매다.
그림1. 태양광에서 연속적 수소 및 고부가가치 생성물 생산을 위한 하이브리드 광촉매의 개발
기존의 촉매는 태양광으로 활용하기 어렵거나 독성을 가져 발암의 원인이 되는 등 친환경적이지 않다는 단점을 가지고 있었다. 반면, 실리콘 광촉매는 가시광선을 흡수할 수 있어 태양광의 활용도가 높다. 생산 과정에서도 유해한 화학물질을 배출하지 않아 무독성의 친환경적 광촉매로 주목받고 있다.
수소와 고부가가치 화합물의 연속적 생산에 관한 연구는 적절한 촉매의 부재로 인해 거의 보고되지 않았다. 동시에 생산하더라도 강한 염기 조건에서 독성 촉매를 사용하고, 이에 따른 환경오염으로 사용화가 어렵다. 실리콘 광촉매는 광촉매 반응 중 형성되는 산화층으로 인해 오랜 시간 반응시킬 경우 수소 생산 효율 또한 낮아진다.
연구팀은 실리콘 광촉매 표면에 니켈이 도핑된 그래핀 퀀텀닷을 2~3nm의 두께로 균일하게 코팅해 높은 수소 생산 효율 및 안정성을 확보했다. 표면이 개질된 하이브리드 실리콘 광촉매는 기존 실리콘 광촉매 대비 약 28배 높은 수소 생산 효율(14.2 mmol g-1 h-1)을 보였다. 산화 반응에서는 물 대신 생물유기체인 바이오매스를 활용해 고부가화합물의 생산이 가능함을 확인했다. 98%의 원형을 유지함으로써 높은 안정성 또한 확보했다.
그림3. 태양광 기반 리그닌으로부터 방향족화합물 생산
류정기 에너지화학공학과 교수는 “기존 수소 생산 연구는 자외선을 흡수 하거나 독성 촉매를 가진 광촉매에 한정돼 왔다”며 “개발된 무독성 저가 실리콘 광촉매는 높은 태양광 흡수율을 통한 고효율의 수소 생산이 가능할 뿐만 아니라 방향족 화합물의 생산이 가능하여 새로운 태양광 촉매 시스템을 제시했다는 점에서 의미가 크다”라고 설명했다.
POSTECH 박수진 화학과 교수는 “니켈 도핑된 그래핀 퀀텀닷으로의 표면 개질은 실리콘 광촉매뿐만 아니라 다양한 광촉매에 활용 가능하여 에너지 응용 분야에 새로운 활용법을 제시한 경제적 기술이다”라고 설명했다.
이번 연구는 UNIST 최유리 연구조교수, POSTECH 최성호 석·박 통합과정 연구원이 제 1저자로 참여했다. 연구 결과는 Advanced Materials에 7월 27일자로 공개됐다.
연구 수행은 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단 ‘학술연구지원사업-창의도전연구’ 및 ‘원천기술개발사업-탄소중립기술개발’의 지원을 받아 이뤄졌다.
