[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

인공광합성은 자연계의 광합성 시스템을 모방해 물과 이산화탄소로부터 수소, 탄소화합물 등 친환경적이고 부가가치가 높은 원료를 생산하는 기술이다. 태양광, 전해액, 반도체 광전극의 세 요소만 있으면 친환경 에너지를 생산할 수 있다는 것이 특징이다. 이 기술은 무한한 에너지원인 태양광을 이용할 수 있어 자연 친화적이며, 가까운 미래에 고갈될 것으로 예상되는 화석연료를 대체할 수 있는 높은 가능성을 가져 세계 각국의 정부 및 연구자들로부터 주목 받고 있다.

인공광합성에 대한 연구는 크게 물을 분해해 수소와 산소를 생산하는 ‘물 분해 반응’과 이산화탄소를 합성연료로 전환하는 ‘이산화탄소 환원 반응’의 두 방향으로 진행되고 있다. 연구의 중요 관심사 중 하나는 반응의 효율, 선택성 및 안정성의 향상을 위한 ‘광전극 물질’ 개선이다. 기술의 높은 가능성에도 불구하고, 반응 효율이 낮아 상용화에 어려움을 겪고 있기 때문이다.

현재까지의 연구들은 우수한 반응 효율을 얻어내기 위해 Ir(이리듐), Pt(백금), Ru(루테늄), Re(레늄) 등 값비싼 물질을 촉매로 사용하는 방법을 제안해왔다. 하지만 이 물질들은 고가인데다 투입량을 조절하는 것도 어렵다. 또한 이들 촉매를 적용하기 위해서는 고온 ‧ 고압의 진공장비를 이용해야 해 전극의 손상도 발생하곤 했다. 더불어 지금까지 연구들은 수소 혹은 산소생성 중 하나의 효율만을 높이는데 집중해왔으며, 이 경우 반응을 일으키기 위해 외부 전압이 가해지거나 희생제를 추가로 사용해야 한다는 한계점도 있다.

2. 연구내용

연구팀은 인공광합성 효율 향상을 위해 반도체 광전극을 구성하고 있는 ‘광양극(Photoanode)’과 ‘광음극(Photocathode)’에 ‘다층박막적층(Layer-by-Layer) 기법’을 사용해 촉매를 집적시켰다. 촉매가 집적된 광전극은 추가적인 전압 없이 가시광선 영역의 빛만으로도 효율적이고 안정적인 반응을 보였다.

다층박막적층 기법은 수용액 내에서 양의 전하를 가지는 물질과 음의 전하를 가지는 물질이 서로 당기는 힘을 이용해(Electrostatic Force) 광전극 기판위에 이들 물질들이 스스로 뭉쳐 쌓이도록 하는(Self-assembly) 방법이다. 연구진은 고분자 계열의 물질인 ‘폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine, PEI)’과 인공광합성을 위해 쓰이는 물 분해 촉매 ‘폴리옥소메탈레이트(Polyoxometalate, POM)’를 사용해 전극을 제작했다.

이 방식은 레고 블록을 조립하듯 사용하고자 하는 물질들은 원하는 만큼 표면상에 쌓을 수 있다는 것이 장점이다. 또한 수용액에 전극을 담그기만 하면 촉매를 쌓을 수 있어 쉽고 간단하며, 반도체 표면을 크게 손상시키지 않는다는 특징을 갖는다.

연구진은 이렇게 만들어진 전극의 광전기화학적 효율과 안정성이 증가했음을 확인했다. 연구팀이 사용한 ‘비스무스 바나데이트(BiVO₄)’ 광양극의 경우, 전해질과 전극 표면에서 물 산화반응의 효율이 증가해 실제 산소 발생이 증가했고, 광음극인 ‘아산화동(Cu₂O)’에서는 수소 발생을 위한 고전압 조건에서도 물질의 안정성이 높아졌음을 확인 할 수 있었다. 실제 광전극의 효율 측정을 위해 IPCE(Incident-Photon-to-electron Conversion Efficiency)를 측정했을 때, 촉매층이 있는 전극은 촉매층이 없는 전극보다 약 10.41배 높은 효율을 보였다.

3. 기대효과

본 연구에서는 전압을 가하지 않은 상태에서 가시광선 영역의 빛만으로도 구동되는 안정성이 우수한 ‘다층박막적층 인공광합성 전체 전극 반응 시스템’을 개발했다.

이 시스템은 수용액 내에서 전극표면에 원하는 물질들을 원하는 양만큼 자유롭게 레고 블록처럼 조립해 쉽고 간단하게 구성 할 수 있다는 점에서 활용성이 높다. 또한 현재 개발한 전극 외에도 크기와 무관하게 다양한 기판에 적용이 가능하며, 유연한 소재에 적용이 가능해 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 그린 케미스트리 (Green Chemistry)

영국 왕립화학회(RSC) 에서 발행하는 청정 ‧ 촉매화학 분야의 세계적 학술지. 2016년 기준 인용지수(Impact Factor)는 9.125다.

2. 광전극 반응

반도체 전극에 빛을 조사할 경우 일어나는 전극 반응. 전극 표면에서 산화 반응이 일어나는 전극을 광양극(Photoanode)라 하며, 환원 반응이 일어나는 전극을 광음극(Photocathode)이라 한다.

3. 광전기 화학

반도체 전극을 사용한 광촉매, 광합성 반응에서 빛이 관여하는 전기화학반응을 일컫는 말이다.

4. 물 분해(광 물 분해)

빛을 흡수하여 물로부터 수소와 산소를 생산하는 촉매 반응이다. 식물의 광합성 반응에서는 빛을 흡수하여 물과 이산화탄소로부터 화합물을 합성하는데, 빛을 사용하는 물 분해 반응은 인공적으로 광합성을 하여 수소를 생성하고자 한다.

5. 폴리옥소메탈레이트(Polyoxometalate, POM)

주로 음이온인 다원자 이온, 3개 이상의 전이금속 산소 음이온이로 구성된 분자형태의 금속 산화물 클러스터이다.

6. 자기 조립(Self-Assembly)

물질들 간의 특이적 상호작용으로 인해 서로가 집합하여 의미가 있는 구조를 형성하는 현상을 의미한다.

[붙임] 그림설명

그림 1, 2. 다층박막적층법을 광전극에 도입하기 전(위)과 도입한 후(아래)의 전체 전극 반응 시스템 개략도: 광전극을 촉매와 고분자 물질 수용액에 번갈아 담가 표면에 촉매층을 쌓는다. 다층박막층이 올려진 전극에서는 전압을 가하지 않고 태양광만으로도 물 분해 반응이 일어났다. 시스템은 높은 효율과 안정성을 보였다.

*재결합 : 빛을 가할 때 반도체 내에서 발생한 전자(Electron)와 정공(Hole)이 서로 만나 소멸하는 것

*선택성 : 화학반응 및 촉매반응에서 특정 물질을 선택하여 반응하는 경향

그림3. 다층박막적층법에 사용된 고분자 전해질 PEI와 물 분해 촉매 POM: 두 물질은 각각 양의 전하와 음의 전하를 띠고 있어 서로 정전기적 결합을 이룬다.

그림4. 실제 연구진이 구성한 전체 전극 반응 시스템: 연구진이 구성한 시스템에선 각 전극에서 산소와 수소를 동시에 발생시킬 수 있다.

그림 5. 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.