CO2 90% 분해…광전극 구조 나왔다

카이스트 연구팀, 빛을 이용해 이산화탄소 분해

▲연구팀이 제안한 실리콘(Si) 광전극 모식도와 전자현미경 사진.[사진제공=카이스트]

[아시아경제 정종오 기자] 이산화탄소(CO2)를 90% 이상 분해 가능한 광전극 구조가 개발됐다. 빛을 이용해 물과 이산화탄소를 연료로 바꿔주는 기술에 한 발짝 더 다가섰다.

카이스트(총장 신성철) EEWS 대학원 오지훈 교수 연구팀이 빛을 이용해 이산화탄소를 분해하기 위한 금 나노 다공성 박막과 실리콘(Silicon) 기반의 새로운 광전극 구조를 내놓았다. 광전기화학적 이산화탄소 변환은 태양광 에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 연료로 바꿔주는 기술이다. 연구팀이 개발한 기술은 이를 위한 반도체 광전극 구조의 기본 틀을 제공할 것으로 기대된다.

안정적 이산화탄소를 환원시키기 위해서는 낮은 과전압을 지닌 우수한 촉매가 필요하다. 그 중 금(Au)은 이산화탄소를 일산화탄소로 환원시키는 전기 촉매로 알려져 있다. 금은 과전압이 비교적 높고 일산화탄소 생산성이 낮아 수소가 많이 발생하는 문제점이 있다. 가격이 비싸기 때문에 사용량도 조절해야 한다.

과전압이란 물 또는 이산화탄소를 환원 시킬 경우 전하 전달이 발생하는 화학반응을 시작하기 위한 최소한의 전압을 말한다. 연구팀은 문제 해결을 위해 나노 다공성 구조를 갖는 금 박막을 제작하는 데 성공했다. 금을 박막형태로 기판 재료에 증착해 이를 양극산화 처리한 뒤 연속적인 환원 처리를 통해 제작했다.

이 금 박막은 480밀리볼트(mV)의 과전압에서 90% 이상이 이산화탄소 환원에 사용되는 높은 전류 효율을 보였다. 이전의 나노구조 촉매는 0.1mm의 두꺼운 호일을 이용해 제작됐다면 연구팀의 박막은 약 5만 배 정도 얇은 200나노미터 수준으로 금 기반 촉매의 제작비용을 최소화했다.

나아가 연구팀은 직접 제작한 나노다공성 금 박막을 촉매로 활용하기 위해 새로운 실리콘(Si) 광전극 구조를 개발했다. 기존 방법인 나노 입자 형태로 반도체 표면에 촉매를 형성하면 전기화학적 처리 과정에서 기판 자체에 영향을 주게 된다. 연구팀은 금 박막을 표면 전체에 연결될 수 있는 메쉬 패턴 구조로 제작해 광전극에 영향을 주지 않고도 독립적으로 표면의 전극 접합을 통해 전기화학처리를 가능하게 했다.

제작된 광전극은 실리콘에서 생성된 광전압과 금 박막층의 높은 촉매 특성이 작용돼 기존의 일산화탄소 변환을 위해 필요한 에너지보다 더 낮은 양으로도 변환이 가능하다.

오 교수는 "다양한 반도체와 촉매 재료도 쉽게 적용 가능한 플랫폼 역할을 할 수 있을 것"이라며 "다른 연구자들이 우리 연구팀의 구조를 적용해 이산화탄소 광전환의 광변환 효율을 향상시킬 수 있다"고 말했다.

1저자인 송준태 박사는 "발상의 전환을 통해 매우 간단한데 중요한 새로운 타입의 광전극 구조를 개발했고 이를 통해 효율적 이산화탄소 환원이 가능해졌다"며 "생성물의 평형 전위보다 더욱 낮은 전위조건에서 이산화탄소 환원을 하는 결과를 낸 것은 처음"이라고 설명했다.

연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 2월8일자 내면 표지 논문으로 실렸다.