물에 햇빛 비췄더니 수소가 콸콸… UNIST, 상용화 길 연 '신기술' 개발

‘세계 최고 효율 달성’… 광전극 내 연결 소재 바꿔 수소 생산

320㎠ 대면적 모듈 야외 실증 성공… Appl. Catal. B 게재

전기를 연결하지 않고 햇빛만으로 물을 분해해 청정 수소를 대량 생산하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

탄소 배출이 전혀 없는 '그린수소'를 외부 전원 없이 값싸게 생산할 수 있는 고효율 유기 광전극 기술이 세계 최초로 입증됐다.

유기 반도체 기반 광음극 기술 가운데 세계 최고 수준의 효율을 기록했다.

UNIST 탄소중립대학원 김진영 교수와 에너지화학공학과 이재성·임한권 교수팀은 빛 흡수층을 두 겹으로 쌓은 '탠덤 광전극'을 구현했다고 전했다.

연구진, (좌측부터) 김진영 교수, 이재성 교수, 임한권 교수, 김재형 연구원, 이연정 연구원, 다르미쉬 한소라 박사, 문종아 연구원. UNIST 제공

기존 유기 반도체 광전극은 대량 생산에는 유리하지만, 전압이 부족해 외부 전원을 연결해야 했다.

연구팀은 파장이 다른 빛을 흡수하는 반도체층을 두 겹으로 쌓고, 손실 없이 연결하는 새 복합 소재를 적용해 문제를 풀었다. 산화몰리브덴과 유기 분자를 결합해 수분 흡수와 전극 손상을 원천 차단했다.

실제 성능 검증 결과, 0.56㎠ 크기의 전극에서 외부 전원 없이 7.9%의 태양광 수소 전환 효율을 보였다. 10시간 연속 가동에도 초기 성능의 86%를 유지했다. 기존 기술이 10시간 만에 36% 수준으로 급락하던 한계를 극복했다.

값비싼 귀금속 사용량도 대폭 줄였다. 백금 함량을 0.1% 수준으로 낮추고 반대편 전극에는 니켈과 철, 코발트를 적용했다. 대면적(320㎠) 모듈 야외 실증에서도 자연광만으로 수소를 원활하게 생산했다.

경제성 평가 결과, 현재 기술로 하루 10t 생산 시 수소 1㎏당 생산 비용은 9.26달러 수준이다. 공정 개선을 통해 수소 1㎏당 4.26달러까지 생산 단가를 낮출 수 있을 것으로 전망된다.

연구그림, 전유기 탠덤 광음극의 성능 그래프(우)와 실증 평가(좌).

김진영 교수는 "유기 반도체를 쌓은 전극에서 성능을 떨어뜨리던 연결 층의 불안정성과 부식 문제를 해결한 연구"라며 "용액으로 가공할 수 있는 유기 반도체의 장점을 살려 그린수소 생산 비용을 낮추는 데 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 김재형 연구원, 이연정 연구원, 다르메쉬 한소라(Dharmesh Hansora) 박사, 문종아 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 환경·에너지 촉매 분야의 세계적 권위지인 '어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런먼트 앤드 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)'에 9월 6일 온라인 공개됐다.

연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)과 UNIST의 지원을 받아 이뤄졌다.

영남취재본부 김수로 기자 relationship6007@asiae.co.kr