물속에서 촉매 쌓아 인공광합성 효율 ‘쑥’

류정기 울산과기원 교수팀, ‘다층박막적층’ 기법 활용 기술 개발

2018-08-20     조강희 기자

[한국에너지신문] 태양에너지를 유용한 자원으로 바꿔 주는 기술인 인공광합성의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다.

류정기 울산과학기술원 에너지 및 화학공학부 교수 연구팀은 다층박막적층 기법을 이용해 물속에서 인공광합성용 촉매를 결합하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

인공광합성은 태양에너지로 수소를 생산할 수 있는 차세대 에너지 생성 기술로 주목받고 있다. 태양광과 전해액, 광전극만 있으면 친환경적인 에너지를 만들 수 있다.

하지만 광전극의 효율이 낮아 이를 개선하기 위해 백금과 같이 값비싼 촉매 물질을 사용해야 했다. 물질의 종류나 양을 조절하기는 어려웠고, 촉매를 적용하는 과정에서 고온·고압의 진공 장비를 활용해야 했으며, 장비를 활용하면서 광전극이 손상이 발생하기도 했다.

연구팀은 촉매와 접착 물질이 각각 녹아있는 물에 전극을 번갈아 담그면 크기나 형태와 관계없이 쉽고 간편하게 촉매를 쌓아 올릴 수 있다는 점에 착안했다.

이를 바탕으로 비교적 낮은 수준에 머물러 있는 광전극의 효율을 높였다. 광전극 위에 양의 전하(+)를 띠는 물질과 음의 전하(-)를 띠는 물질을 서로 순서대로 쌓는 다층박막적층 기법을 접목했다.

연구팀은 상온의 물에 양의 전하를 갖는 고분자 물질 ‘폴리에틸렌이민(PEI)’과 음의 전하를 갖는 저렴한 물 분해 촉매 ‘폴리옥소메탈레이트(POM)’를 각각 녹였다. 이후 광전극을 각 물질이 녹아있는 수조에 번갈아 담그며 촉매를 쌓았다. 각 수조에 5분 정도 담그면 전극에 물질이 접착된다.

이렇게 형성된 촉매 다중층(Catalytic Multilayer)은 광전극의 효율과 안정성을 동시에 확보할 수 있다. 연구팀이 산소 생성을 위한 광양극(BiVO₄)에 10개 층, 수소 생성을 위한 광음극(Cu₂O)에 15개 층의 촉매를 쌓아 실험을 진행한 결과 이들 전극은 촉매가 없는 광전극에 비해 효율이 약 10배 높아졌다.

류 교수는 “촉매층 형성법은 물에 담그기만 하면 되는 간단한 공정을 거치기 때문에 기존에 진공장비 사용으로 인해 발생하던 전극 손상문제도 방지할 수 있다”고 설명했다. 이번 연구 성과는 화학 분야 국제학술지인 ‘그린 케미스트리(Green Chemistry)’에 13일 자 표지 논문으로 게재됐다.