[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

수소(H2)는 탄소중립 시대의 가장 중요한 청정에너지원으로 주목받고 있다. 특히 태양에너지를 직접 이용하여 물을 분해해 수소를 생산하는 광전기화학(Photoelectrochemical, PEC) 기술은 환경친화적이며 지속 가능한 기술로 꼽힌다. 그러나 기존 광전기화학 기술은 효율적이며 경제적인 소재가 제한적이고, 특히 태양에너지만을 이용해 외부 전력 없이 수소를 생산하기 어려워 상용화에 걸림돌이 되어 왔다. 미국 에너지부(DOE)는 상용화를 위한 수소 생산 목표를 0.36 mmol h-1 cm-2로 설정하고 있지만, 이를 뛰어넘는 효율적이고 실현 가능한 기술은 여전히 부족한 실정이다. 대표적인 광전극 소재인 결정질 실리콘(c-Si)은 높은 이론적 광전류 밀도(43.37 mA cm-2)를 지녔음에도, 낮은 광전압(약 0.6V)으로 인해 외부 전압 없이 물을 완전히 분해하기 어려운 한계를 가지고 있었다. 따라서 결정질 실리콘의 높은 광전류를 활용하면서 낮은 광전압 문제를 극복할 수 있는 혁신적 접근이 필요했다.

2.연구내용

연구팀은 결정질 실리콘 광전극이 지닌 높은 광전류 밀도의 강점은 살리면서, 낮은 광전압 문제를 극복할 수 있는 새로운 시스템을 세계 최초로 개발했다. 연구팀은 기존의 물 산화 반응 대신 푸르푸랄(Furfural)이라는 바이오매스 유래 물질의 산화반응을 도입하여 필요한 반응 전압을 획기적으로 낮췄다. 기존 물 산화반응(OER)의 경우 1.6V 이상의 높은 전압이 필요하지만, 푸르푸랄 산화반응은 약 0.1V 정도의 낮은 전압에서도 효율적으로 진행될 수 있다.

본 시스템에서 푸르푸랄은 산화반응을 통해 산업적으로 유용한 고부가가치 화합물인 푸로산(furoic acid)으로 변환됨과 동시에 수소를 방출한다. 이에 따라 양극(푸르푸랄 산화)과 음극(물 환원) 양쪽에서 모두 수소가 동시에 생산되는 획기적이고 독창적인 ‘이중 수소 생산 시스템’을 구현할 수 있었다. 또한 연구팀은 광전극의 광전압 손실을 최소화하기 위해 고성능 후면전극형(interdigitated back contact, IBC) 결정질 실리콘 광전극을 제작하고, 니켈(Ni) 금속 호일과 유리층을 이용해 전해질과의 접촉으로부터 감싸 보호함으로써 장기적인 안정성을 확보하였다.

최종적으로 본 시스템은 별도의 외부 전력이나 추가 전압 공급 없이 순수한 태양에너지만을 이용해 기존 DOE 목표를 크게 뛰어넘는 1.4 mmol h-1 cm-2의 기록적인 수소 생산 속도를 달성하였다. 이는 현재까지 보고된 광전기화학 기반 수소생산 기술 중 세계 최고 수준이며, 기존 DOE 목표 대비 약 4배에 달하는 혁신적 성과이다.

3.기대효과

이번 연구는 바이오매스 기반 물질인 푸르푸랄의 산화 반응을 활용해, 외부 전력 없이도 높은 수소 생산 효율을 달성할 수 있는 광전기화학 시스템을 개발한 것이다. 특히 결정질 실리콘 광전극과 전압 부담이 낮은 산화 반응을 조합해, 광전류 밀도와 장기 안정성을 모두 확보하면서 미국 에너지부가 제시한 상용화 기준을 4배 이상 초과하는 수소 생산 속도를 실현했다. 이를 통해 기존 광전기화학 수소 생산 기술의 낮은 전압 문제를 해결했으며, 상업화 가능성을 한층 높였다. 또한 푸르푸랄을 활용해 고부가가치 화합물인 푸로산을 동시에 생산할 수 있어, 에너지와 소재를 함께 확보하는 이점도 갖췄다. 이러한 시스템은 환경 친화성과 경제성을 동시에 만족시킬 수 있는 지속 가능한 청정에너지 기술로 평가되며, 향후 인공광합성 등 다양한 광전기화학 기술의 상용화를 앞당기고, 화석연료 기반 유기화합물 생산 공정을 대체할 수 있는 기술적 기반으로도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.광전기화학(Photoelectrochemical, PEC)

태양에너지를 이용하여 전기화학 반응을 유도하는 기술로, 특히 물(H2O)을 분해하여 친환경적이고 지속 가능한 청정 연료인 수소(H2)를 생산하는 데 널리 활용된다. 광전기화학 시스템은 태양광을 흡수하여 전하(전기)를 생성하는 광전극과, 생성된 전하를 이용해 화학 반응(산화 및 환원)을 촉진시키는 촉매 물질로 구성된다.

2.생산 속도(mmol h-1 cm-2 )

생산 속도는 mmol h-1 cm-2의 단위를 쓰며 이는 단위시간, 단위면적당 얼마만큼의 수소를 생산하는가를 의미한다.

3.푸르푸랄(Furfural)

옥수수대, 사탕수수 찌꺼기와 같은 농업 부산물로부터 얻을 수 있는 대표적인 바이오매스 유래 화합물이다. 식품 및 의약품 합성, 화학 산업 등에서 널리 활용되는 주요 플랫폼 화학물질이며, 산화 반응을 통해 고부가가치의 푸로산(Furoic acid)을 생성할 수 있다. 본 연구에서는 물 분해보다 훨씬 낮은 전압에서 산화가 가능하다는 특성을 이용해, 친환경적이고 경제적인 수소 생산을 위한 핵심 소재로 사용되었다.

4.결정질 실리콘(crystalline silicon, c-Si)

태양전지 및 반도체 소자에 널리 사용되는 대표적인 소재로, 높은 태양광 흡수율과 전기 전도성을 지니고 있어 우수한 광전극 물질로 주목받고 있다. 특히 태양광을 흡수하여 전류를 생성하는 능력(광전류 밀도)이 높아 광전기화학 시스템의 성능 향상에 매우 유리하다. 그러나 광전압이 상대적으로 낮아 외부 전압 공급 없이 물을 완전히 분해하여 수소를 생산하는 데 한계가 있었으며, 본 연구에서는 이러한 단점을 극복하고 높은 성능의 수소 생산 시스템을 구현하는 데 성공하였다.

[붙임] 그림설명

그림1. 태양광만을 이용한 고효율 이중 수소 생산 시스템의 모식도 기존 물 분해(산소 발생 반응) 방식 대신 푸르푸랄 산화 반응을 적용해 필요한 전압을 획기적으로 낮춘 광전기화학 시스템의 작동 원리를 나타낸다. 태양광을 받은 결정질 실리콘(c-Si) 광전극에서 생성된 전자가 물을 환원시키며 수소를 생성하고, 산화전극(Cu 촉매전극)에서는 낮은 전압에서 푸르푸랄 산화 반응을 일으켜 또 다른 수소와 고부가가치 화합물인 푸로산(Furoic acid)을 동시에 생산한다. 본 시스템을 통해 추가 전력 공급 없이 순수한 태양에너지로만 높은 효율의 수소 생산을 달성할 수 있다.