"백금 빼고 가자"…값싸고 효율적 수소 생산 기술 개발

이광희-이상한 GIST 교수팀

펄스드 레이저 증착법을 사용해 보호층인 티타늄 포일 위에 증착된 MoS2와 결합된 페로브스카이트 광음극의 모식도

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 고가의 백금을 촉매로 사용하지 않아도 효율적인 수소 생산이 가능한 기술을 개발했다.

광주과학기술원(GIST)은 이광희ㆍ이상한 신소재공학부 교수 연구팀이 현재까지 보고된 페로브스카이트 기반 광전극 중 가장 높은 효율과 안정성을 보이는 광전극을 개발했다고 13일 밝혔다. 연구팀은 유기금속 할라이드 페로브스카이트 태양전지에 나노 구조의 이황화몰리브덴 촉매를 결합해 값비싼 백금 없이도 효율적인 수소 생산이 가능한 기술을 선보였다.

페로브스카이트를 이용한 광전기화학 물분해는 페로브스카이트 물질 자체가 수분에 취약해 높은 안정성이 보장되지 않으며, 현재까지 높은 효율을 보이는 페로브스카이트 광전극은 모두 값비싼 백금 촉매, 보호층, 그리고 페로브스카이트가 결합한 형태로 이로 인한 비용 문제가 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 따라서 값이 싸고 안정적이며 백금의 높은 효율을 대체할 수 있는 저비용, 고효율, 고안정성의 수소 생성 반응용 촉매와 페로브스카이트 광전극의 촉매 개발이 필요하다.

연구팀은 대표적인 물리적 증착 방법인 펄스드 레이저 증착법을 이용해 대표적인 백금 대체 수소 생성 반응용 촉매 중 하나인 이황화 몰리브덴(MoS2)을 페로브스카이트 보호층(티타늄 포일) 위에 제작했다. 티타늄 포일 위에 MoS2를 제작할 때, 증착 조건 중 하나인 펄스 수를 조절해 MoS2의 나노구조를 성공적으로 제어했다. 나노구조화된 MoS2는 평면구조의 MoS2보다 더 높은 효율의 수소 생성 반응을 보였다. 이어서 MoS2가 증착된 티타늄 포일을 액체금속인 인듐-갈륨 합금을 이용해 밀봉해 수분이 페로브스카이트 물질에 침투하는 것을 성공적으로 방지함으로써 높은 안정성을 보장했다.

연구팀이 개발한 페로브스카이트 광전극은 MoS2의 높은 안정성과 효율 덕분에 기존의 백금 촉매의 쉬운 박리현상으로 인한 광전극의 빠른 초기 성능 저하를 성공적으로 방지했다. 특히 현재까지 보고된 페로브스카이트 광전극 중에 최장의 안정성인 120시간의 안정성과 최고 효율인 11.07%의 반쪽전지효율을 달성했다.

이상한 교수는 "본 연구 성과는 값비싼 백금 촉매 없이도 고효율, 고안정성의 페로브스카이트 기반 광전극의 제작이 가능함을 제시했다는데 가장 큰 의의가 있다"면서 "향후 친환경 수소생산 기술의 실용화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구 결과는 에너지분야 상위 7% 논문인'Journal of Materials Chemistry A'(IF=12.732)에 12일 표지논문으로 선정돼 온라인 게재됐다.