[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

광전기화학적 물 분해1)는 저비용으로 대규모 그린 수소2) 생산이 가능한 유망한 방법이다. 높은 태양광-수소 변환 효율을 얻기 위해서는 전체 물 분해 반응의 핵심단계인, 물 산화반응3)에 대한 연구가 필요하다. 이 기술의 실용화를 위해서는 높은 효율 뿐만 아니라 장시간 안정성이 필수적이다. 그러나, 수용액 전해질에서 광 흡수체들이 광부식으로 인해 성능이 저하되는 문제가 있다. 실리콘, 갈륨비소, 갈륨인과 같은 재료를 사용한 고성능 광전극의 경우 비정질 이산화 티타늄을 보호층으로 사용하여 내구성 향상을 보였으나 고가라는 단점이 있다. 반면에 값싼 금속 산화물 광전극에는 기존 보호층이 효과적이지 않은 한계가 있어 다양한 금속 산화물 소재에 적용 가능한 새로운 보호층 개발이 필요하다.

2. 연구내용

본 연구에서는 폴리에틸렌이민(PEI) 와 이산화티타늄(TiO2) 을 결합한 하이브리드 PEI/TiO2 보호층을 개발하였다. 개발된 보호층은 기존 금속산화물과 이산화티타늄 사이의 불완전한 계면을 완화하며, 이산화티타늄(Ti4+) 의 부분적인 환원으로 형성된 새로운 결함이 선택적인 정공 이동을 가능하게 하였다.

결과적으로 금속산화물인 비스무트 바나데이트 (BiVO4) 에 보호층만을 적용했음에도 향상된 전류밀도를 (1.08 mA/cm2 at 1.23 V vs RHE) 보였다. 보호층과 보조 촉매인 코발트옥시하이드록사이드 (CoOOH) 함께 적용한 경우 (BiVO4/PEI/TiO2/CoOOH) 낮은 개시전압4) (0.28 V vs RHE) 과 높은 광전류 밀도5) (2.03 mA/cm2 at 1.23 V vs RHE) 를 달성하여 현저하게 반응성이 증가하는 것으로 확인되었다. 개발된 광전극은 수용액 전해질 (pH 8) 을 사용한 장시간 평가에서도 400 시간 이상 안정적으로 물 분해 반응을 지속하는 높은 광안정성을 보였다.

3.기대효과

본 연구에서 개발된 하이브리드 보호층은 저비용 금속 산화물 광전극의 효율과 안정성 문제를 동시에 해결할 가능성을 제시한다. 기존의 고가 반도체 소재에만 적용했던 TiO2 보호층의 한계를 극복하고, 다양한 금속 산화물 광전극에 적용할 수 있어 태양광 수소 생산 기술의 실용화에 크게 기여할 것으로 기대된다.

특히 향상된 광전류와 함께 400시간 이상의 구동 안정성을 보여 대규모 수소 생산 기술 실용화에 필요한 내구성과 효율성을 동시에 확보하였다. 또한, 연구에서 밝혀진 정공의 선택적 이동 메커니즘은 향후 다양한 광전기화학적 소자의 성능향상에 적용될 수 있어, 향후 친환경 에너지지 기술 발전에 광범위한 영향을 미칠 것으로 예상된다.

[붙임] 용어설명

1.광전기화학적 물 분해 (Photoelectrochemical water splitting)

청정 에너지원인 태양광을 활용하여 친환경적으로 수소 생성을 하는 방법이다. 물을 수소와 산소로 분해하는 기술로, 광전극에서 빛을 흡수하여 생성된 전자와 정공이 각각 환원반응과 산화반응에 사용된다. 환원반응으로 수소가, 산화반응으로 산소가 만들어진다.

2.그린 수소 (Green hydrogen)

재생 에너지를 이용해 물을 전기분해하여 생산하는, 생산 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경적인 수소이다.

3.물 산화반응 (Water Oxidation reaction)

전기에너지를 이용하여 물을 산화시켜 산소를 생성하는 반응 (2H2O → O2 + 4H+ + 4e- )이다. 4개의 전자를 필요로 하는 복잡한 반응으로, 전체 물 분해 반응의 효율을 결정 짓는 핵심 단계이다. 이번 연구에서 개발된 보호층은 물 산화반응에 필요한 정공만 선택적으로 전달하는 기능이 있다.

4.개시전압 (Onset potential)

반응이 시작되기 위한 최소한의 전압으로 값이 작을수록 에너지 소모가 적고, 반응효율이 높다.

5.광전류밀도 (Photocurrent density)

빛에 의해 생성된 전류를 광전극의 단위 면적으로 나눈 값으로, 수소생산 속도와 비례한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 하이브리드 보호층을 입힌 광전극 (BiVO4/PEI/TiO2) 단면의 투과전자현경 이미지와 원소 분석 매핑 이미지 (흰색 화살표: 계면 PEI 를 나타냄) 125 nm 두께의 TiO2 층과 BiVO4 와 TIO2 사이(두께 1-12 nm) 내 PEI 계면층이 존재하여 hybrid PEI /TiO2 보호층이 형성됨을 확인 할 수 있다.

그림 2. 금속 산화물 광전극의 조촉매 도입 (좌) 하이브리드 보호층 도입 (중) 보호층 + 조촉매 도입 (우) 의 물 산화반응 활성 비교. 수용액 전해질에서 하이브리드 보호층 도입으로 향상된 광전극 성능을 보여 준다.

그림 3. Fe2O3 광전극 (좌) 및 hybrid/PEI/TIO2 보호층이 도입된 광전극 (우) 의 광전기화학적 반응 성능 비교

그림 4. 물 산화반응을 위한 광전극의 장시간 안정성 테스트

그림 5. 선택적 정공 전달성을 설명하는 에너지 밴드 이론. 금속 산화물/TiO2 (좌) 및 금속산화물/PEI/TiO2 (우) 의 밴드 에너지.