[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

태양광을 이용해 물을 분해하여 수소를 생산하는 광전기화학전지 (PEC) 기술은 탄소 배출이 없는 그린 수소 생산의 유망한 대안으로 주목받고 있다. 특히 유기 반도체 기반 광전극은 높은 빛 흡수 능력과 용액 공정 적합성을 바탕으로, 저비용·대면적 제조가 가능한 플랫폼으로 기대를 모으고 있다. 그러나 유기 광전극을 실제 수소 발생 반응에 적용하기 위해서는 백금(Pt)과 같은 수소 발생 촉매를 표면에 안정적으로 통합해야 한다. 기존 공정에서는 유기 광전극 표면의 소수성 및 화학적 민감성 때문에 수용액 기반 백금 전구체가 균일하게 젖지 못해 촉매가 국부적으로 응집하거나 촉매가 없는 영역이 형성되기 쉽다. 또한 형성된 촉매가 구동 중 탈락하면서 성능 저하와 재현성 문제로 이어지는 경우가 많다. 따라서 유기 광전극의 장점을 유지하면서도, 수용액 공정에서 백금 촉매를 균일하고 견고하게 형성·고정할 수 있는 계면 공학 전략이 필요하다.

2.연구내용

본 연구는 이온성 곁사슬을 조절한 공액 고분자 전해질(CPE)을 유기 벌크 이종접합(BHJ) 광활성층 위에 얇게 도입하여, 수용액 기반 백금 전구체가 표면에 고르게 퍼지고 안정적으로 고정되도록 하는 계면 전략을 제시하였다. 연구팀은 이온성 곁사슬 조성이 다른 CPE 소재인 PNDI-Z3 및 PNDI-NI를 설계·합성해 성능과 메커니즘을 비교 검증하였다. 기존 유기 광전극은 소수성 표면으로 인해 촉매 형성의 불균일성과 탈락 문제가 있었으나, CPE를 도입함으로써 표면 젖음성을 획기적으로 개선했다. 이를 통해 백금 나노입자가 촘촘하고 균일하게 형성되었으며, 촉매의 재현성과 부착 안정성 또한 크게 향상되었다. 특히 본 전략은 별도의 복잡한 과정 없이 용액 공정만으로 적용 가능해, 유기 광전극의 대면적 제작 및 공정 스케일업에도 유리하다.

또한 요오드화물 기반 곁사슬을 갖는 CPE는 작동 조건에서 백금-할라이드 착물의 치환을 촉진해 금속 백금 (Pt) 형성과 핵생성·성장을 유리하게 만든다는 메커니즘을 제시하였다. 그 결과, CPE 기반 유기 광음극은 중성 전해질 조건에서 높은 광전류와 우수한 개시전위를 보였고, ABPE 8.88%로 유기 광전기화학 수소 생산 분야 최고 수준의 성능을 달성하였다.

3.기대효과

본 연구는 유기 광전극에서 가장 큰 난제로 꼽혀 온 촉매의 균일 형성 및 부착 안정성 문제를, 공액 고분자 전해질(CPE) 기반 계면 설계를 통해 해결할 수 있음을 제시하였다. 특히 수용액 기반 공정에서 백금 촉매를 간단한 용액 공정으로 균일하게 형성할 수 있어, 유기 광전기화학(OPEC) 수소 생산 기술의 재현성 향상과 공정 단순화에 기여할 것으로 기대된다.

또한 본 전략은 PNDI-Z3, PNDI-NI와 같이 이온성 곁사슬을 조절한 소재 설계로 촉매 형성 메커니즘까지 제어할 수 있음을 보여, 향후 다양한 촉매·전구체 및 다른 유기 광전극 시스템으로의 확장 적용이 가능하다. 나아가 대면적 제작과 스케일업에 유리한 용액 공정 기반 촉매 통합 방법으로서, 저비용·대면적 그린 수소 생산 기술의 실용화에 기여할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.광전기화학전지 (Photoelectrochemical cell, PEC)

태양광을 이용해 물을 분해하고 수소와 산소를 생산하는 전기화학 시스템이다. 전극에 빛을 쪼이면 반도체에서 전자가 생성되고, 이 전자가 물 분해 반응을 일으켜 수소가 만들어진다. 외부 전력 없이 태양광만으로 수소를 생산할 수 있어 그린 수소 기술로 주목받고 있다.

2.유기 광전기화학전지 (Organic Photoelectrochemical cell, OPEC)

유기 반도체를 광활성층으로 사용하는 광전기화학전지다. 실리콘이나 금속 산화물 기반 광전극에 비해 가볍고 유연하며, 용액 공정을 통해 저비용·대면적으로 제작할 수 있다는 특징이 있다.

3.용액 공정 (Solution process)

소재를 액체 용매에 녹이거나 분산시킨 뒤 이를 바르거나 담그는 방식으로 박막이나 구조를 형성하는 제조 공정이다. 진공이나 고온 장비가 필요한 증착 공정과 달리 공정이 단순해 대면적 제작과 공정 확장에 유리하다. 디스플레이, 태양전지, 이차전지 전극 등 여러 산업 분야에서 이미 활용되고 있는 상용화된 제조 방식이다.

4.공액 고분자 전해질 (Conjugated polyelectrolyte, CPE)

탄소–탄소 결합이 번갈아 이어진(공액 구조) 주사슬 구조를 가져 전자가 고분자 사슬을 따라 이동할 수 있는 공액 고분자에, 이온성 작용기를 곁사슬로 도입한 기능성 고분자다. 고체 상태이지만 이온 이동이 가능해 ‘전해질’이라 불린다.

5.ABPE (Applied Bias Photon-to-Current Efficiency)

외부에서 인가한 전압(바이어스)을 함께 고려해 태양광 에너지가 실제 전류로 얼마나 효율적으로 전환되는지를 나타내는 성능 지표다. 특히 무바이어스(unbiased, 외부 전압을 별도로 걸지 않고 빛만으로 반응을 구동하는 조건) 또는 저바이어스 조건에서 태양광 수소 생산 시스템의 실질적인 효율을 평가하는 데 사용된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 특수 고분자를 적용한 유기 광전극 구조와 수소 생산 성능

친수성 곁사슬에 아이오딘 이온이 있는 다기능성 특수 고분자(PNDI-NI)를 사용한 경우(연보라색) 가장 높은 수소 생산 효율을 보였다.