[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

과산화수소는 친환경 산화제로써 다양한 곳에 사용될 뿐 아니라, 높은 에너지 밀도, 그리고 친환경적 성질로 인해 수소를 대체할 미래 에너지 운반체로 각광받고 있는 물질이다. 그러나 현재 과산화수소 생산 시스템인 안트라퀴논 공정(Anthraquinone process)은 많은 비용과 복잡하고 친환경적이지 않은 과정, 안전 문제를 동반하는데, 이러한 관점에서 과산화수소를 차세대 산화제·연료 물질로 사용할 수 있으려면, 태양 연료로써 과산화수소를 생산할 수 있는 혁신적인 기술이 필요하다. 그 목표를 달성하기 위해 세계적으로 다양한 광촉매 개발이 진행되었지만, 무기물 기반 광촉매를 중점으로 진행되었기 때문에, 여전히 대용량 친환경 과산화수소 생산을 기대하기는 어려운 실정이다.

이 때문에 인공광합성을 이용한 과산화수소생산이 주목 받고 있다. 식물 잎이 햇빛을 받아 연료를 생산하듯 광전극이 햇빛을 받아 다양한 태양연료1)를 만드는 것이다.

페로브스카이트2) 기반 광전극은 광-전기 에너지 전환효율이 매우 뛰어나 높은 광전류를 기대할 수 있지만 수계 전해반응 시 물과의 접촉으로 그 구조가 매우 빠르게 파괴되기 때문에 물속에서 사용하기에는 한계가 있다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 페로브스카이트의 안정성 문제를 해결하기 위해 기존의 페로브스카이트의 성능은 유지하면서 물과의 접촉을 차단할 수 있는 물질을 이용하였다. 액화·응고 변화가 자유로운 필즈 메탈3)을 이용하여 페로브스카이트와 산소 환원 촉매를 각각 성공적으로 접합하는 동시에 페로브스카이트와 물의 접촉을 완전 차단하면서 기존의 수계 전해반응에서 나타나는 페로브스카이트의 한계를 벗어나 수계에서 작동 가능한 고성능·고안정성 광전극 개발을 목표로 하였다.

연구팀은 필즈메탈의 액화·응고 변화가 자유로운 성질을 이용하여 페로브스카이트의 안정성을 확보하는 동시에 전하 전달 능력을 유지하면서 전달된 전하가 원하는 반응에 사용될 수 있도록 활성 촉매까지 성공적으로 연결시켜 광활성이 뛰어난 페로브스카이트 광전극으로 긴 시간 과산화수소를 생산하는데 성공했다. 62◦C에서 녹는 금속인 필즈메탈은 기존 금속과 같이 전도성은 매우 뛰어나지만 대부분의 금속의 녹는점(800◦C 이상)과 다르게 고체·액체 상태 변화가 매우 자유로워 물리적인 접합이 수월하다. 이를 이용해 기존의 ‘페로브스카이트의 수계 전해 반응 시 나타나는 물질 파괴 현상’의 약점을 공략하여 ‘고성능 페로브스카이트 광-전기 전환 효율을 활용한 수계 전해 반응’을 새롭게 제시한 것이다.

더하여 본 연구팀은 산소환원4) 촉매로 산화 탄소 나노 튜브5)를 거미줄처럼 엮어 사용했다. 이를 통해 표면적을 극대화함과 동시에 물리적인 성질을 강화시켜 페로브스카이트 위에 종이처럼 얹을 수 있었다. 이 물질은 과산화수소 생산이 100%의 패러데이 효율6)로 가능한데, 이를 성공적으로 페로브스카이트와 접합하여 페로브스카이트로부터 나온 전자를 과산화수소 생성에 쓰일 수 있도록 한 것이다.

마지막으로 연구팀은 알려진 물 산화7) 촉매인 ‘a-NiFeOx’8)를 언급된 페로브스카이트 산소 환원 광촉매와 함께 활용함으로써, 외부 전압이 필요없는, 순수하게 태양빛으로만 과산화수소를 생산하는 시스템을 개발했는데, 이 때 광-화학에너지 전환효율은 ~1.463%로써 세계최초로 1%가 넘는 광-화학에너지 전환효율을 선보였다.

3. 기대효과

본 연구팀이 제시한 ‘고성능 페로브스카이트 광-전기 전환 효율을 활용한 수계 전해 반응’으로 수계 전해 반응에서의 페로브스카이트의 치명적인 단점을 극복하면서 친환경 연료인 과산화수소를 높은 광-화학에너지 전환효율로 생산할 수 있었다.

차세대 광에너지 전환 물질로 각광받는 페로브스카이트를 이용하여 높은 광-화학에너지 전환률로 타겟 연료를 생산할 수 있는 기술이기 때문에 수계 전해 반응에서의 제약이 걸리지 않으며, 결과적으로 과산화수소 생산 뿐 아니라, 암모니아 생산이나 이산화탄소 제거 반응 등 차세대 친환경 사회 실현을 위한 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 페로브스카이트

페로브스카이트는 [CaTiO3]와 같은 결정 구조를 갖는 물질을 총칭하는 용어로 일반식 ABX3로 표현되며, 여기서 A와 B는 크기가 매우 다른 양이온이고, X는 두 양이온에 결합하여 있는 음이온이다. 독특한 전기적 특성을 보여 압전기, 강유전성 및 고온 초전도체 재료와 밀접한 연관이 있다.

2. 태양연료

태양연료는 태양의 무한한 에너지원인 태양광 과 태양열 을 직/간접적으로 이용하여 전기화학적, 열화학적, 광화학적/광전기화학적 반응을 통해서 생성된 제3의 유용한 연료를 통치하여 말한다

 3. 필즈메탈

Field의 합금으로도 알려진 이 금속은 약 62 ° C에서 액체가 되는 가용성 합금이다. 비스무트, 주석, 인듐이 각각 32.5%, 16.5%, 51%로 존재한다. 발명가 Simon Quellen Field의 이름을 따서 명명되었다.

 4. 산소 환원

산소가 외부로부터 전자를 받는 행위이다. 이 때 산소는 수소 이온과 함께 과산화수소로 변화한다.

5. 산화 탄소 나노 튜브

탄소 나노 튜브는 안정한 물질이지만, 매우 강한 산을 통해서 산화시킬 수 있다. 이 때 산화된 탄소 나노 튜브는 기존 탄소 나노 튜브보다 산소 환원에 뛰어난 성능을 보인다.

6. 패러데이 효율

총 사용된 전기에너지 중 원하는 반응(본 연구는 과산화수소)에 쓰인 전기에너지의 비율이다.

 7. 물 산화

물이 외부로 전자를 잃는 행위이다. 이 때 물은 산소로 변화한다. 

8. a-NiFeOx

비결정성 산화철니켈 혼합물질이다. 물 산화에 뛰어난 촉매로 알려져 있다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 개발된 독립구동 과산화수소 생산 인공광합성 시스템 모식도

왼쪽 전극이 개발된 페로브스카이트(PSK) 기반 광전극이다. 필즈메탈이 전극을 둘러싸고 있으며, 산소환원 촉매가 일부 노출되어 있다. 붉은색 층은 페로브스카이트 광흡수물질(MAPbI3), 보라색(PEDOT:PSS), 노란색(PCBM)은 각각 정공이동층, 전자이동층이다. 필즈메탈(FM)은 페로브스카이트와 물의 접촉을 차단시키면서 산화 탄소나노튜브로 이루어진 산소환원 촉매(버키페이퍼,O-BP)를 잘 연결하는 역할을 한다. 산소환원 촉매 표면에서 산소가 환원되어 과산화수소가 생성한다. 오른쪽 전극(a-NiFeOx)은 물 산화 전극이다. 산소 환원과 물 산화가 동시에 일어나면서 전하의 균형이 맞춰진다.