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유기 반도체 기반 태양광 수소 생산 광전극 개발...안전성·성능 우수
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유기 반도체 기반 태양광 수소 생산 광전극 개발...안전성·성능 우수
  • 김민철 기자
  • 승인 2020.11.09 12:00
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UNIST 장지욱·양창덕·조승호 교수팀, 유기물 전극의 불안정성 대폭 개선
기존 무기 광전극 소재보다 효율 2배 이상 높고 안정
11.2일자 Nature Comm. 온라인 게재
[연구그림] 유기반도체를 이용한 광전극 및 태양광 수소생산 모식도
유기반도체를 이용한 광전극 및 태양광 수소생산 모식도-물에서 불안정한 유기 반도체 물질을 광전극에 이용하기 위해 니켈(Nickel)포일, 니켈-철 이중층수산화물 촉매(NiFe-LDH), 갈륨-인듐 액체 금속 (Eutectic Metal)으로 구성된 인캡슐레이션 (encapsulation)구조를 만들었다. 니켈-철 이중층수산화물 촉매는 니켈 포일위에서 바로 성장시켰다. 유기반도체 물질로 물이 침투하는 것을 막고 전하가 전극표면으로 잘 전달돼 표면에서 물 산화반응이 잘 일어난다. 물 산화반응이 활성화되면 수소 생산 효율이 높다. /연구그림=UNIST 제공

화석연료를 대체할 친환경, 신재생 에너지 관심이 높아지고 수소에너지 기반 친환경 산업은 이미 상용화 단계에 접어들고 있지만, 현재 수소 생산 시 문제점들은 여전히 남아있다. 

광전극을 물에 넣고 햇볕을 쪼여서 수소를 얻는 태양광 수소 생산 시대를 앞당기게할 국내 연구결과가 나왔다. 

울산과학기술원(UNIST) 연구팀이 유기 반도체 물질 기반의 효율 놓고, 안전성이 우수한 광전극(photoanode)을 개발했다고 9일 밝혔다. 

이번 연구결과는 국제학술저널 네이쳐 커뮤니케이션(Nature Communications)에 11월 2일자로 온라인 출판되기도 했다. 

연구를 이끈 장지욱, 양창덕, 조승호 교수 연구팀은 기존 무기 반도체 기반 광전극 보다 수소 생산 효율이 2배 이상 높을 뿐 아니라 대면적 제조가 가능해 가격 측면도 유리하다고 설명했다. 

유기화합물은 탄소를 포함한 화합물로 유기화합물 기반 반도체는 OLED 디스플레이의 광원 물질인 대표적이며, 광전극에는 타이타늄(Ti)이나 철(Fe)과 같은 금속 산화물(타이타늄옥사이드, 아이언옥사드) 무기 반도체가 주로 쓰인다고 한다. 

태양광 수소 생산에 쓰이는 광전극은 태양광 에너지를 흡수해서 전하 입자를 만드는 반도체 물질로 이루어져 있다. 

태양광 수소 생산의 원리는 생성된 전하 입자가 전극 표면에서 물과 반응하고 수소와 산소를 만들게 된다. 반응이 물 속에서 일어나기 때문에 안정한 금속산화물 무기 반도체 광전극이 주로 연구되어 왔다. 

반면 유기 반도체 물질은 수소 생산효율이 훨씬 높지만 물 안에서 빠르게 손상되는 문제가 있어 광전극으로 사용되지는 못했다. 

[공동연구진] (좌상단부터 시계방향) 장지욱 교수, 양창덕 교수, 김윤서 연구원(제1저자), 유제민 연구원(제1저자) /사진=UNIST 제공

이 연구에서는 고성능의 유기 광활성층을 안정적으로 물속에서 작동시켜 수소를 생산하기 위해 새로운 광전기화학 셀 시스템을 개발했다.

이들 공동연구팀은 액체금속(인듐-칼륨 합금), 니켈포일, 그리고 니켈 포일위에서 바로 자란 촉매(니켈-철 이중층 수산화물)로 구성된 모듈시스템을 이용해 물속에 안정한 유기 반도체 광전극을 만들었다.

물이 유기 광활성 층에 접촉하여 파괴시키는 것을 막기 위해 니켈 포일위에 직접 니켈-철 이중층수산화물 촉매를 합성했고, 이를 갈륨-인듐 Eutectic 금속을 이용해 유기 광 활성 층에 접합했다고 한다.

니켈포일은 물이 유기반도체와 직접적으로 접촉하는 것을 막고 포일 위에 바로 성장시킨 촉매가 전체 반응을 돕는다. 또 니켈포일과 유기반도체 사이를 메우는 물질이 액체 금속이라 물은 빈틈없이 차단하면서도 전하 입자의 흐름은 막지 않는다.

새로운 광전극의 수소 생산 효율(반쪽 전지 효율)은 기존 무기 반도체 광전극의 2배 이상인 4.33%를 기록했다고 연구팀은 밝혔다. 

에너지화학공학부 양창덕 교수는 “유기 반도체는 무기 반도체와 달리 무궁무진한 조합을 만들 수 있어 효율이 더 높은 새로운 유기 반도체 물질을 계속 발굴 할 수 있어 추가적 성능 향상이 기대된다”고 말했다. 

에너지화학공학과 장지욱 교수는 “높은 효율을 갖는 유기물을 광전극에 적용할 수 있다는 가능성을 보인 연구”라며 “기존에 효율 측면에서 한계가 있었던 태양광 수소 전환 기술의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 기대했다.

신소재공학과 조승호 교수는 “이번에 개발된 시스템은 하나의 모듈로써 니켈 포일위에 자란 촉매나 유기 반도체의 종류를 바꿔 쓸 수 있는 것이 장점”이라며 “ 현재 전하 이동을 돕는 새로운 촉매에 대한 연구를 계속 해나가고 있다”고 설명했다.

이번 연구는 유제민 UNIST 석박통합과정 대학원생, 이정호 UNIST 박사, 김윤서 UNIST 석박통합과정 대학원생이 공동 1저자로 참여했으며, 연구 수행은 기후변화대응기술기초원천기술사업, 기본 연구사업, 신진 연구사업 등을 받아 이뤄졌다.

네이쳐 커뮤니케이션에 실린 해당 논문 'High-performance and stable photoelectrochemical water splitting cell with organic-photoactive-layer-based photoanode' /네이쳐 커뮤니케이션 갈무리

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