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Title (연구성과) 태양광으로부터 수소를 생산하는‘꿈의 기술’

태양광으로부터 수소를 생산하는‘꿈의 기술’  앞당길 광전극 효율향상 기술 개발 증발/분해 속도 제어공정으로 구리 비스무스 산화물 박막 전극 제조

□ 화석연료를 이을 신재생에너지 가운데 하나로 꼽히는 수소에너지. 흡수한 태양광을 이용해 물을 분해, 수소를 생산하는 구리 비스무스 산화물 광전극의 성능향상 실마리가 나왔다.

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 조인선 교수(아주대학교), 신성식 박사(한국화학연구원) 연구팀(제1저자 서갑경/김빛나)이 기존 대비 4배 이상 높은 태양광-수소 전환효율을 갖는 수소 전극소재를 개발했다고 밝혔다.

□ 청정에너지원인 태양광을 이용해 물을 산소와 수소로 분해하여, 수소를 얻는 과정에 탄소를 전혀 배출하지 않는 방법이 최근 주목받고 있다.

○ 하지만 광전환 효율을 상용화 수준으로 높이는 데 한계가 있었다. 산소를 발생시키는 전극 소재에 대한 연구는 많이 이뤄진 반면 수소 발생 전극 소재에 대한 연구는 상대적으로 미흡하였다.

□ 연구팀은 저렴하면서 이론 광전류값이 높고 촉매특성이 우수해 최적의 수소전극 소재로 꼽히는 구리 비스무스 산화물에 주목했다. ※ 구리 비스무스 산화물 : 스피넬 결정구조를 갖는 p-type 반도체. 적절한 에너지 밴드 위치, 낮은 밴드갭 에너지(1.6-1.8 eV)와 높은 내부 전압(>1V) 특성으로 이론 광전류값이 29 mA/cm2으로 매우 높다. 광전류값은 수소/산소 발생 속도와 비례한다.

○ 이들 산화물을 전극으로 적용하기 위해 박막 형태로 만드는 과정에서 생겨나는 빈틈이나 불순물 그리고 작은 박막입자로 인한 낮은 광전류가 문제였다.

□ 연구팀은 구리 비스무스 산화물 전구체가 코팅될 때, 용매 휘발과 전구체가 분해되는 속도를 제어하는 신규 용액공정을 개발하고 이를 이용해 고품질의 구리 비스무스 산화물 박막을 합성했다. ※ 전구체 : 구리 비스무스 산화물 합성을 위한 화학시료가 녹아 있는 코팅용액

○ 산화물 결정입자의 생성속도를 제어해 치밀한 미세구조를 만드는 한편 입자 크기를 벌키(bulky)하게 성장시켰다. 박막화 과정에서 생길 수 있는 빈틈이나 불순물도 크게 줄일 수 있었다.

□ 그 결과 전기영동법이나 스프레이 코팅법, 졸겔법 등 기존 용액공정으로 만들어진 박막에 비해 전하 재결합을 크게 낮춰 광전환효율이 4배 가까이 향상되었다.

○ 핵심은 전처리 공정에서 용매의 증발속도와 전구체 분해속도를 제어, 결정 입자의 밀도와 이들의 성장 속도를 제어한 것이다. 기존 방식들이 주로 너무 낮거나 빠른 속도를 이용한 것과 차별화한 것이다.

□ 나아가 구리 비스무스 산화물 전극 아래 구리산화물 나노입자층을 적층한 이종접합 구조의 광전극으로 표준 태양광 아래 3.5 mA/cm2의 높은 광전류 값을 얻었다. 이는 현재까지 보고된 모든 산화물 수소 전극 보다 높은 값이라는 설명이다.

□ 상용화를 위해서는 추가적인 효율 향상과 안정성 향상과 대면적화 기술이 필요한 만큼 연구팀은 관련 연구를 지속할 계획이라고 밝혔다.

○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지‘나노에너지(Nano Energy)’에 11월 4일 게재되었다.
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국내 기술동향
Category Tech trends(Korea)
Source 한국연구재단
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