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태양광으로 무공해 수소 만드는 기술 효율 97%까지 높였다

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태양광으로 무공해 수소 만드는 기술 효율 97%까지 높였다

2019.04.09 12:00
서형탁 아주대 신소재공학과 교수(가운데) 연구팀은 태양광에서 전류로의 전환 효율을 97%까지 높인 수소 생산 광전극을 개발했다고 9일 밝혔다. 연구에는 유일한 박사과정생(왼쪽)이 1저자로, 샨카라 칼라누르 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 한국연구재단 제공
서형탁 아주대 신소재공학과 교수(가운데) 연구팀은 태양광에서 전류로의 전환 효율을 97%까지 높인 수소 생산 광전극을 개발했다고 9일 밝혔다. 연구에는 유일한 박사과정생(왼쪽)이 1저자로, 샨카라 칼라누르 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 한국연구재단 제공

햇빛으로 물을 분해해 수소를 얻는 광전기화학은 화석연료로 수소를 생산하는 방식과 달리 수소를 진정한 청정에너지원으로 만들어줄 기술로 꼽힌다. 국내 연구진이 태양광 에너지의 낮은 수소 생산 효율을 높여 상용화에 한 발짝 다가가게 했다.

 

서형탁 아주대 신소재공학과 교수 연구팀은 기존 60% 정도던 태양광에서 전류로의 전환 효율을 97%까지 높인 수소 생산 광전극을 개발했다고 9일 밝혔다. 수소를 생산하는 데 들어가는 전류도 들어간 전류 대비 95%까지 높였다.

 

수소는 연료로 쓰면 배기가스 없이 물만 배출하는 청정에너지원이다. 하지만 청정하게 생산하긴 어렵다. 수소는 화석연료를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소를 얻는 화석연료 개질 방식이 수소 생산법의 절반 이상을 차지한다. 문제는 여기서 수소 중량의 9배 정도의 이산화탄소가 나오는 것이다.

 

대안으로 전기나 태양광으로 물을 수소와 산소로 분해하는 전기분해법을 활용하려는 시도가 이어지고 있지만 효율이 매우 낮아 실용화가 어려웠다. 태양광을 쓰는 전기분해법은 광흡수 반도체가 햇빛을 받아 생성한 전하로 물을 분해한다. 기존 연구들은 태양광을 흡수해 전하를 잘 생성하는 반도체 소재 개발에만 치우쳤다.

 

연구팀은 대신 전하를 양극과 음극으로 효율적으로 분리해 수소 생성 효율을 높이는 데 집중했다. 연구팀이 개발한 전극은 3가지 소재가 쌓인 텐덤 구조다. 텐덤 구조는 서로를 보완하는 두 개 이상의 광흡수 반도체를 수직으로 쌓는 구조다. 빛을 흡수해 양전하와 음전하를 생성하는 이산화티타늄 나노막대와 황화카드뮴 박막 위에 니켈산화물 박막을 추가로 증착했다. 니켈산화물은 음전하는 이산화티타늄으로, 양전하는 황화카드뮴으로 이동하는 것을 도울뿐더러 코팅의 역할도 해 반도체의 부식도 막았다.

 

이렇게 만든 전극은 태양광으로 생성된 전하의 이동을 촉진해 500나노미터(㎚, 10억분의 1m)가시광 조건에서 태양광 변환 효율을 60%에서 97%로 향상시켰다. 수소 생산에도 95%의 패러데이 효율을 달성했다. 패러데이 효율은 흐른 전류 대비 생성물을 생산하기 위해 소모된 전류의 비율을 말한다. 광전극 1㎠ 면적에서 시간당 3㎎의 수소 기체가 나옴을 확인했다.

 

서 교수는 “저가의 니켈산화물을 전하 분리 보호막으로 고효율 나노구조 광전극에 적용했고 최고 수준의 광전환 효율로 수소를 생산했다”며 “추가적으로 장기 광화학반응 안정성을 개선해 실용화를 목표로 연구를 지속할 예정”이라고 말했다.

 

연구결과는 지난달 16일 국제학술지 ‘응용 촉매 B: 환경’에 실렸다.

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