'그린수소 생산' 태양광 전극 효율 극적으로 높였다

문주호 연세대 교수 연구팀
카이랄성 전이 메커니즘 규명
금속산화물 광전극 개발 성공

국내 연구진이 태양광 그린 수소 생산의 효율을 극적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다.

한국연구재단은 문주호 연세대 교수 연구팀이 카이랄 산화물의 증착 메커니즘을 규명하고, 이를 통해 성능이 향상된 금속산화물 기반의 카이랄 광전극을 개발했다고 14일 밝혔다.

무한한 자연 에너지인 태양광과 물을 이용해 수소를 생산하는 태양광 물분해 시스템이 친환경 미래기술로 주목받고 있다. 카이랄성(Chirality)이란 비대칭성을 가리키는 용어로 거울상 영상에 서로 겹쳐질 수 없는 분자 구조를 말한다.

광전극을 이용한 태양광 물분해 시스템은 재료가 저렴하고 시스템이 단순해 이론상으로는 기존 태양전지-전기분해 시스템보다 경제성과 효율성이 높지만, 전극 내 전자를 단순한 전하 운반체로만 인식하기 때문에 실제 성능 향상에는 한계가 있었다. 광전극에 카이랄 물질을 접목하는 양자역학적 관점의 개선 방안이 제시됐지만, 구동 안정성이 낮을 뿐만 아니라 대상이 촉매반응 활성을 가진 유기물질에 한정되어 기존 한계를 극복하기 어려웠다.

그림1 (가)의 (위) 카이랄 L-(+)-타타르산과의 이합체는 하나의 금속 이온과 일방향의 구조를 가졌고 (아래) 비카이랄 메조-타타르산의 이합체는 금속 이온과 완전히 킬레이팅* 되어 여러 방향을 갖는 구조를 지녔다. 유기 분자의 카이랄성에 의한 분자 구조 차이를 통해 최종 증착 금속 산화물의 카이랄성을 부여할 수 있다. * 킬레이트 : 한 개의 리간드가 금속 이온과 두 자리 이상에서 배위결합을 하여 생긴 착이온 - 그림2 (나) 광전극에서 발생한 광전하가 카이랄 금속 산화물로 이루어진 스핀 제어층을 통과하며 CISS에 의하여 스핀 정렬이 이루어진다. 이를 통해 단일항 산소와 과산화수소의 생성은 억제하고, 낮은 과전압의 삼중항 산소 생성에 유리하게 된다. 그림제공=문주호 연세대 교수.

연구팀은 금속 산화물 기반의 카이랄 물질을 광전극에 적용하고자 금속 산화물 합성에서의 카이랄성 전이 메커니즘을 규명하고, 이를 바탕으로 새로운 광전극을 개발했다. 금속 산화물 기반의 카이랄 재료는 유기물에 비해 높은 내화학성과 우수한 전기화학적 특성을 보이며 광전극과 이종접합을 형성하여 전하 분리 효율을 증진할 수 있다.

이 같은 원리를 기반으로 장기 구동 안정성과 높은 촉매반응 활성을 가진 금속 산화물 기반의 카이랄 재료를 합성하고 카이랄 금속 광전극을 개발했다. 금속산화물에 카이랄성을 부여하고 전자의 스핀을 제어함으로써 전해질-촉매 계면에서의 재결합을 억제하고 광전류밀도를 향상시키자 성능을 저해하던 부산물이 억제되고 산소 발생 효율은 증진되었다.

실험 결과 새로운 카이랄 금속 광전극은 광전류밀도와 O2 생성 효율이 각각 약 23% 및 20% 향상됐다. 80시간 연속 구동 시 카이랄 전극의 효율은 85.1%로 비카이랄 전극 73.2% 보다 높았다.

문 교수는 “증착 용액 내 카이랄성 전이에 대한 이해는 다양한 기판과 재료에 활용이 가능해 광전극 뿐만 아니라 촉매, 이차전지, 디스플레이 등 보다 넓은 범위의 애플리케이션에 적용이 기대된다”며 “산업화 규모에서 구현 가능하도록 더 높은 카이랄성 효과와 촉매 활성을 가진 물질 개발에 매진할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 환경 분야 국제학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 지난 1월25일 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr