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UNIST(총장 정무영) 연구진이 고효율 ‘인공나뭇잎’ 소자를 개발했다. 인공나뭇잎은 물과 햇빛을 원료로 양분을 만드는 나뭇잎처럼 햇빛을 이용해 값비싼 수소 연료를 생산하는 반도체 소자다. 이재성(62) UNIST 에너지 및 화학공학부 교수팀은 독일 헬름홀츠 연구소 반디크롤(van de Krol) 교수팀과 함께 물속에서 햇빛을 받으면 수소를 발생시키는 인공나뭇잎(광촉매) 소자를 개발했다. 이 소자는 해조류의 광합성 원리를 모방해 태양에너지를 수소로 전환하는 효율을 8%까지 끌어올렸다. 해조류도 땅 위 식물처럼 태양빛을 받아 광합성을 한다. 그런데 바다 속 깊은 곳에서는 태양빛을 온전히 받기 어렵다. 따라서 해조류는 자기가 서식하고 있는 깊이까지 도달하는 파장만을 선택적으로 활용하는 맟춤형 광합성을 한다. 연구진은 인공나뭇잎이 해조류처럼 햇빛의 서로 다른 파장대를 나누어 이용할 수 있도록, 두 개의 광촉매 물질을 병렬로 연결한 ‘이종쌍전극(Hetero dual photoanode)’의 개념을 제안했다. 그리고 친환경적인 비스무스 바나데이트 산화물과 산화철을 나란히 연결하여 실제 소자를 개발했다. 이종쌍전극 중 비스무스 바나테이트는 짧은 파장의 빛을, 산화철은 긴 파장의 빛을 각각 활용한다. 그 결과 지금까지 5% 정도에 머물던 태양광 전환 효율이 8% 수준까지 올렸다. 이재성 교수는 “상대적으로 값싸고 안정적인 산화물을 이용한 광촉매 중에서 8% 효율은 세계 최고 수준”이라며 “이번 연구는 인공나뭇잎 기술의 상용화 기준으로 여겨지는 효율 10%를 턱밑까지 쫓아가는 중요한 이정표를 만들었다”고 강조했다. 이번 연구는 최근 발효된 파리협약에 따른 이산화탄소 발생 저감 및 처리에도 큰 도움이 될 전망이다. 인공나뭇잎으로 생산한 수소를 연료로 사용하면, 이산화탄소가 발생하지 않기 때문이다. 또 수소연료전지 자동차를 보급하기 위한 값싸고 안정적인 수소연료 생산기술로도 활용할 수 있다. 이 교수는 “이 기술로 3년 내에 효율 10%를 달성해 재생에너지형 수소충전소를 세우는 데 기여할 것”이라며 “이제 막 보급되기 시작한 수소연료전지 자동차에 값싼 수소를 공급하는 기술이 될 것”이라고 내다봤다. 이번 논문의 제1저자로는 김진현(28) POSTECH 환경공학과 박사과정 연구원과 장지욱(33) UNIST 에너지 및 화학공학부 교수가 참여했다. 이번 연구결과는 영국의 네이처 퍼블리싱 그룹(Nature Publishing Group)에서 발행하는 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 14일자로 게재됐다. 연구 지원은 미래창조과학부가 추진하는 기후변화대응 사업과 중견연구자 사업을 통해 이뤄졌다. (끝) * 논문명: Hetero-type dual photoanodes for unbiased solar water splitting with extended light harvesting |
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[붙임] 연구결과 개요 |
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□ 지구상에 무궁무진하게 존재하는 태양빛과 물로 수소를 제조하는 기술이 성공할 경우 비용이 적게 들고 환경오염 물질이 전혀 발생하지 않는 ‘꿈의 기술’을 확보하게 된다. 수소는 미래 에너지 문제를 궁극적으로 해결할 수 있는 청정에너지다. 그러나 그동안은 천연가스, 석유, 석탄과 같은 화석연료에 열을 가해 수소를 추출함으로써 이산화탄소 배출 등 환경문제를 일으켰다. □ 따라서 햇빛과 물을 이용하는 광촉매 기술이 수소를 대량생산할 수 있는 궁극적 미래 기술로서 인식되고 있다. 이에 한국을 비롯한 세계 각국에서는 이 기술을 개발하기 위해 국가 주도의 대형 과제에 투자를 하는 등 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 현 시점에서는 태양에너지를 수소로 전환하는 효율을 실용화에 필요한 10%까지 올리기 위한 연구 개발이 진행 중이다. □ 대표적인 광촉매 재료의 하나인 비스무스 바나데이트 (BiVO₄)는 그 동안 많은 연구를 통해 거의 이론 효율에 근접한 5% 정도의 효율을 보이고 있다. 그 이상의 효율을 얻으려면 다른 광촉매 재료가 필요하다. 이번 연구에서는 더 넓은 영역의 빛을 흡수하는 산화철을 함께 사용해 비스무스 바나데이트의 효율 한계를 극복했다. □ 이번 발명은 값싸고 안정성이 뛰어난 광촉매 재료를 이용한 신개념의 인공나뭇잎 소자다. 이는 광촉매 기술의 실용화를 위한 10% 이상의 전환 효율을 얻을 때에도 활용할 수 있는 기술적 플랫폼(Flatform) 확보에 중요한 기여를 한 것으로 평가된다. |
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[붙임] 용어설명 |
1. 인공나뭇잎(Artificial Leaf)지구상에 무궁무진한 햇빛으로 물을 분해해 수소를 얻는 궁극적인 미래 에너지 기술이다. 물과 이산화탄소, 햇빛으로 광합성을 일으켜 양분을 만드는 나뭇잎의 원리를 모방했다는 데서 ‘인공나뭇잎’이라고 이름을 붙였다. 태양빛을 흡수하는 반도체 광촉매 물질을 물과 접촉해 수소를 얻는다. |
2. 광촉매빛을 받아 높은 에너지를 가진 광전자와 전공을 발생시키는 반도체 물질이다. 광촉매로 물을 분해해 수소와 산소를 만들 수 있고, 유해 물질을 분해해 환경오염을 방지할 수도 있다. |
3. 태양광 전환효율정해진 면적에 도달하는 태양에너지 중 수소 생산에 쓰인 비율을 뜻한다. 생산된 수소의 양을 입사하는 태양에너지의 양으로 나눠서 계산한다. |
4. 비스무스 바나데이트(BiVO₄)안정한 산화물 반도체로서 대표적인 가시광 광촉매의 일종이다. 산업적으로는 노란색 도료로 이용되고 있다. |
5. 산화철(Fe₂O₃)안정하고 환경친화적인 산화물 반도체로서 대표적인 가시광 광촉매의 일종이다. 철이 산소와 반응한 형태이며, 붉은 녹 성분으로 생각하면 쉽다. |
6. 이종쌍전극(Hetero dual photoanode)광촉매로 사용하는 반도체 물질은 일반적으로 한 가지 종류였다. 그러나 이번 연구에서는 두 가지 반도체 물질을 평행하게 연결한 ‘이종쌍전극’을 광전극으로 사용했다. |
7. 해조류 광합성햇빛이 바다 속에 도달하는 파장대는 깊이에 따라 다르다. 즉 에너지가 낮은 장파장 빛은 얕은 깊이까지만 도달하고 높은 에너지의 단파장 빛은 깊은 바다 속까지 도달한다. 따라서 해조류는 자기 서식지에 가용한 빛에 적합한 광합성 시스템을 갖추게 된다. |
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[붙임] 그림 설명 |
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그림 1. 새로 개발한 인공나뭇잎은 마치 바다 속 해조류가 자신의 서식처의 깊이에 따라 서로 다른 파장의 빛만을 선별적으로 이용해 광합성을 하듯이 작동한다. 이종쌍전극(Hetero dual photoanode) 중 비스무스 바나데이트는 단파장을, 산화철은 장파장을 이용해 물을 분해하고 수소와 산소를 발생시킨다. 동영상에는 인공태양빛을 받아 물을 분해해 수소와 산소를 생성하는 인공나뭇잎의 작동 모습이 담겨 있다. |
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