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태양광을 이용한 친환경 수소 생산을 더욱 안정적이고 경제적으로 만드는 기술이 개발됐다. 수소 생산의 핵심 부품인 광전극 전부를 유기물로 제작해, 기존 유기광전극의 부식과 박리 문제를 극복한 기술이다. UNIST 탄소중립대학원 김진영 교수팀은 에너지화학공학과 이재성 교수팀, 고려대학교 화학과 우한영 교수팀과 함께 금속 산화물을 일체 사용하지 않는 ‘전(全)유기 광산화전극(all-organic photoanode)’을 개발했다고 28일 밝혔다. 태양광 수소 생산은 물속에 담긴 광전극에 햇빛을 쬐면, 전극 표면에서 전기화학 반응이 일어나 물이 수소와 산소로 분해되는 원리를 이용한 기술이다. 이 과정에서 수소와 산소를 효율적으로 만들기 위해 각각 산성, 염기성 용액이 사용된다. 그러나 보통의 유기광전극에서 사용되는 금속산화물 전자수송층은 산성이나 염기성 수용액에서 쉽게 부식되거나 유기물 층으로부터 박리 돼 안정성이 떨어졌다. 연구팀은 n형 자가조립 단분자막(SAM)과 p형 고분자 전해질층을 이용한 전 유기물 광전극을 개발해 이 문제를 해결했다. 금속산화물을 대체한 유기물인 n형 단분자막은 기판과 유기 광활성층간의 접착력을 강화하고 전자 전달 효율을 극대화한다. 또 광전극 표면에 입혀진 p형 고분자 전해질층은 정공만 선택적으로 전달하며, 표면의 친수성을 높여 수용액과의 접촉 효율을 향상 시켰다. 개발된 유기 광전극은 아스코르브산(L-ascorbic acid)을 넣은 산성 환경에서 7.92 mA/cm²의 높은 광전류 밀도를 기록했다. 광전류 밀도는 수소 생산 속도와 직결되는 지표다. 또 별도의 보호막이나 금속 캡슐화 없이도 2시간 동안 초기 성능의 90% 이상을 유지해 뛰어난 안정성을 입증했다. 김진영 교수는 "이번 연구를 통해 기존 광전극이 갖고 있던 pH 민감성과 박리문제를 근본적으로 해결했다"며, "특히 n형 자가조립 단분자막을 광산화전극에 적용한 것은 이번이 처음으로, 전극 전면을 유기물로 구성한 완전 유기 구조의 실용성을 입증한 사례"라고 설명했다. 이어 "친환경 수소 생산뿐 아니라 다양한 유기 기반 광전기화학 소자 개발에도 널리 활용될 것"이라고 덧붙였다. 이번 연구는 UNIST 엽지우 박사, 이진욱 박사와 고려대학교 손재훈 석·박사 통합과정 연구원이 제 1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters) 에 3월 14일 출판됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단 (NRF)의 지원을 받아 이루어졌다. (논문명: Realization of All-Organic Photoanodes for Photoelectrochemical Cells) |
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[붙임] 연구결과 개요 |
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1.연구배경 탄소 중립을 달성하기 위한 핵심적인 요소는 친환경적인 에너지원 개발이며, 그중에서도 수소 에너지는 매우 유망한 에너지 운반체로 주목받고 있다. 하지만 현재 생산되거나 개발 중인 대부분의 수소는 화석 연료에서 유래하며, 이로 인해 이산화탄소(CO₂)가 배출되는 회색 수소(gray hydrogen)로 분류된다. 따라서, 탄소 배출이 없고 재생 가능한 에너지를 사용하는 그린 수소(green hydrogen) 생산이 필수적이다. 이러한 요구에 따라, 태양광을 활용한 광전기화학 셀(photoelectrochemical, PEC)이 수소 생산에 효과적인 방법으로 개발되었다. PEC 셀은 광전극에 빛을 조사하면, 광전효과에 의해 생성된 광전압과 광전류를 전기화학 반응에 이용하여 효율적인 물 분해가 가능하다. 2.연구내용 본 연구에서는 유기 기반 광전기화학 셀(Organic Photoelectrochemical Cells, OPECs)의 구성요소인 광산화전극을 개발하여 그린 수소 생산을 위한 성능을 향상시키고자 하였다. 기존 광산화전극에서는 금속 산화물로 이루어진 전하 수송층(charge transport layers, CTLs)을 사용했으나, 이러한 층은 pH 변화에 민감하고 유기 물질과의 호환성이 떨어져 장기적인 안정성에 문제를 야기한다. 이에 본 연구에서는 n형 자기조립 단분자막(SAM)을 이용한 새로운 유기 광산화전극을 개발하였다. 세 가지 다른 구조를 가진 n형 자가조립 단분자막을 합성하여 이를 사용한 광산화전극은 기존의 ZnO 기반 ETL을 대체하며, 안정적인 작동과 유기 광활성층의 박리 방지 효과를 보여주었다. 또한, p형 고분자 전해질(TPAFS-7TMA)을 HTL로 적용하여 물과의 접촉을 개선하고, 정공 수송 능력을 향상시켰다. 이로 인해, n형 자가조립 단분자막과 p형 고분자 전해질을 결합한 전(全) 유기 광산화전극이 L-ascorbic acid 산화 조건에서 7.92 mA cm⁻²의 광전류 밀도를 기록하였고, 2시간 동안 초기 성능의 90% 이상을 유지하였다. 3.기대효과 이 연구는 기존 PEC 셀에서 발생하는 pH 민감성 문제와 유기물과의 호환성 문제를 해결한 혁신적인 유기 광양극을 개발하였다. 새로운 유기 기반 광전기화학 셀은 금속 캡슐화 없이도 안정적인 성능을 유지할 수 있으며, 넓은 pH 범위에서 안정적인 작동을 제공한다. 이러한 결과는 향후 OPECs의 고성능 및 고안정성을 위한 중요한 기초 자료를 제공하며, 지속 가능한 수소 생산을 위한 실용적인 솔루션을 제시할 것이다. 이로 인해, 그린 수소 생산을 위한 효율적인 유기 광전기화학 시스템이 개발될 것으로 기대된다.
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[붙임] 연구결과 개요 |
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1.광산화 전극 (photoanode) 광전기화학(PEC) 셀에서 빛을 흡수하여 전자-정공 쌍을 형성하고, 생성된 정공을 이용해 전극 표면에서 산화(oxidation) 반응을 유도하는 전극이다. 2.n형 자가조립 단분자막 (n-type self-assembled monolayer) 전극 표면에 자발적으로 정렬하여 단분자층을 형성하는 유기 분자로, 전자를 전달하는 특성을 가진다. 일반적으로 전극과 유기 반도체 간의 접촉 특성을 개선하고 전하 수송을 조절하는 데 활용된다. 3.p형 고분자 전해질 (p-type conjugated-polyelectrolyte) 공액 고분자 구조와 이온성 작용기로 이루어져 있으며, 정공 전도를 특징으로 하는 물질이다. 전자 구조 및 용해도를 조절할 수 있어 유기 전자소자에서 전하 수송층이나 계면 조절층으로 활용된다. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림1.전(全) 유기 광산화전극의 도식적 구조와 소자 구동 안정성 측정 결과. 개발된 전유기 광전극은 유기광활성층과 n형 자가조립 단분자막, 그리고 p형 고분자 전해질층으로 이뤄져 있다. 이 전유기 광전극은 시간이 지나도 광전류가 거의 감소하지 않고 90% 이상 유지된 반면(보라색 곡선), 기존의 금속 산화물 기반 전하수송층을 쓴 광전극은 빠르게 광전류가 줄어들고 있다. (검은색 곡선) |
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![[연구그림] 연구팀이 개발한 고안정성 전유기 광전극의 구조와 성능](https://news.unist.ac.kr/kor/wp-content/uploads/2025/04/연구그림-연구팀이-개발한-고안정성-전유기-광전극의-구조와-성능.png)