서형탁 교수 연구팀이 수소 연료 생산을 위한 물 분해 광전극을 단일 소재를 이용해 개발하는 데 성공했다. 무공해 방식으로 수소 연료를 생산할 수 있는 저비용 고효율 광전극으로 활용될 수 있을 것으로 보인다. 

서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 오른쪽)는 단일 소재 기반의 고효율 태양광 물 분해 신소재 광전극을 개발했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘이상적인 도핑과 일함수 조절을 통한 {002}면으로 정렬된 1차원 텅스텐 산화물의 태양광 물 분해 개선 효과(Enhanced solar water splitting of an ideally doped and work function tuned {002} oriented one-dimensional WO3 with nanoscale surface charge mapping insights)’라는 논문으로 촉매 분야 국제 학술지 <어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈’(Applied Catalysis B: Environmental), IF=16.683> 5월6일자 온라인판에 게재됐다. 우리 학교 칼라누르 샨카라(Shankara Kalanur) 교수(신소재공학과, 사진 왼쪽)가 제1저자로 함께 참여했다.

수소는 연료로 사용된 후 물이 배출되는 대표적인 청정 연료원으로, 최근 차세대 에너지 연료원으로 주목받으며 산업 전반에서 활용 영역을 확장하고 있다. 연료로서의 수소를 생산하기 위해서는 화석 연료를 개질(reforming)하는 방식이 주로 사용되고 있는데, 이 과정에서 수소 생산 중량의 9배가 넘는 이산화탄소(CO2)도 같이 배출된다. 

때문에 대표적 온실가스인 이산화탄소 같은 공해 물질의 배출을 줄이기 위해 전기나 태양광을 이용하는 광·전기 화학적 물 분해 기술에 대한 연구가 최근 활발히 이루어지고 있다. 태양광이 반도체 광전극에 입사할 때 생성된 전하를 이용하여 물을 분해하는 방식으로, 이 방법은 이산화탄소 배출이 없는 청정 수소 생산 방식이다. 그러나 기존 화석연료 개질 방식에 비해 매우 낮은 생산 효율이 그동안 한계점으로 인식되어 왔다. 

이러한 낮은 생산 효율을 극복하기 위해서는 태양광 물 분해 시스템에서 가장 핵심적인 역할을 하는 광전극의 광 반응 특성을 향상 시키고, 장기 반응 내구성을 확보하는 것이 관건이다. 최근 단일 소재 광전극으로는 이러한 기술적 향상을 이루는 데 한계가 있는 것으로 판명되어, 여러 소재를 적층하여 광전극을 형성하는 ‘탠덤’ 구조에 대한 연구가 많이 이루어져 왔다. 그러나 탠덤 구조를 이용하는 경우 공정이 복잡해져 광전극의 특성 재현성이 현저히 낮아지고 이종 소재 간 화학적 불안정성을 보이기도 하는 등 여러 문제가 발생해 왔다.  

서형탁 교수팀은 기존에 널리 연구되어 왔으나 효율 향상 한계에 봉착했던 텅스텐 산화물(WO3) 광전극에 주목했다. 서 교수팀은 다른 소재를 추가한 이종 적층 구조를 쓰지 않고 단일 소재에 소량(1.14%)의 이트리움(Y)을 ‘도핑’할 경우 1차원 텅스텐 산화물 나노로드의 결정 방향이 광화학적으로 활성이 높은 {002}면에 대하여 정렬된다는 점을 발견해 냈다. 연구진은 최적 도핑 농도 및 공정 확보를 위해 수십 가지 경우의 불순물 농도를 검증, 최적 조건을 찾아냈다. 

연구팀은 최적 조건으로 이트리움(Y)이 도핑된 텅스텐 산화물(WO3)에서 광전류가 200% 가량 대폭 향상되며, 촉매에 흡수된 빛에 의한 광전류의 수소 전환 효율은 95%에 이른다는 점을 확인했다. 그 밖에도 극소량의 도핑으로도 저항 감소, 전자구조 변화, 표면일함수 변화 등 다양한 물리·화학적 특성이 달라질 수 있음을 확인했다. 

서형탁 교수는 “저가의 텅스텐 산화물에 극소량의 불순물 도핑을 통해 고효율 단일소재 기반의 나노구조 광전극 제조에 성공한 사례”라며 “이를 통해 최고 수준의 전환 효율로 수소를 생산할 수 있음을 확인했고, 앞으로 안정성을 더욱 개선해 실용화를 목표로 연구를 이어 가겠다”고 말했다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 기초연구지원사업(기본)의 지원과 해외우수신진인력지원사업의 지원으로 수행됐다. 

링크 주소 : https://www.ajou.ac.kr/kr/ajou/news.do?mode=view&articleNo=109197