수소는 사용후에 물을 배출하는 대표적인 차세대 청정 연료원으로서 산업 전반에 활용 영역을 확장하고 있다. 수소 생산은 화석연료를 개질하는 방식이 주로 사용되고 있는데 화석연료 대신 태양광을 이용하는 광·전기화학적 물 분해기술 연구가 최근 활발하다. 이 기술의 핵심은 태양광으로 생성된 전하를 이용해 물을 분해하는 광전극을 만드는 것이다. 하지만 광변환 효율이 높으면 빨리 부식이 되고 안정성이 뛰어나면 광변환 효율이 떨어지면서 안정성과 효율성이 동시에 달성되기가 힘들었다.

 
 서 교수팀이 개발한 광전극은 3가지 다른 종류의 나노 구조와 박막 소재를 쌓은 텐덤(tandem)구조로 단일 전극이 빛에 직접 반응하는 일체형 광촉매 전극이다. 이는 태양전지와 촉매전극을 분리하거나 복수의 광전극판을 이용하던 기존의 방식을 완전히 탈피한 것이다. 개발된 광전극은 빛을 받아 (+)전하인 양공과 (-)전하인 전자를 생성하는 광흡수 산화물 나노판, 전하가 서로 반대의 전극으로 이동하도록 전하 분리를 촉진하는 산화물 나노입자 그리고 광부식을 막으면서 표면으로 높은 에너지의 정공이 잘 빠져나가게 하는 나노 보호막으로 구성되어 있다.

  이 광전극은 빛에 의해 생성된 전하들이 손실 없이 양극과 음극으로 분리되어 물에서 수소를 고효율로 발생시켰다. 물의 광전기 분해 효율의 척도가 되는 광전류는 단일 일체형 전극으로는 세계최고 수준이었으며 24시간 동안 수소 발생 효율이 95%가 유지되는 것도 광전류 측정과 가스 크로마토그라피측정법으로 확인됐다.

 
 이 외에도 서 교수팀은 5나노미터의 이산화타이타늄(TiO2) 초박형 보호막층을 전해증착법이라는 기술을 이용하여 빈공간 없이 완전히 덮는 공정도 개발해냈다. 보호층이 없는 경우에 비해 25% 이상의 광효율 안정성과 16% 이상의 광변환 효율 향상을 달성했다. 

 
 서 교수는 “고효율의 광변환효율과 안정적인 광반응을 동시에 달성한 일체형 광촉매전극 개발 성과는 매우 드물다”며 “촉매반응 향상을 위해 조촉매 입자 등을 추가로 적용하면 더 높은 효율의 물분해 수소 생성이 가능하고, 메탄 분해 등 다른 물질의 광화학 반응에도 적용이 가능하다”고 밝혔다.

 이번 연구성과는 한국연구재단의 중견 연구자 지원 사업, C1 가스 리파이너리 사업 및 BK플러스 사업의 지원을 받아 이루어졌다.