[월간수소경제 송해영 기자] GIST(광주과학기술원) 신소재공학부 이상한 교수 연구팀이 비스무스 바나데이트(BiVO4)가 나노막대 형태의 산화아연(ZnO)과 이종구조를 이룬 광전극 표면에 플라즈모닉 금 나노입자를 분산시킨 새로운 구조의 물분해 수소 생산용 광전극을 개발했다고 지난 16일 발표했다.
수소에너지를 효율적으로 생산하기 위해서는 광전극이 빛을 최대한 많이 흡수하여 많은 양의 전자(음의 전하를 띠고 있는 기본 입자)와 정공(양의 전하를 띠고 있는 기본 입자)을 발생시켜야 한다. 무엇보다 중요한 것은 발생된 전자와 정공들이 광전극 내에서 서로 다시 재결합하지 않고 빠르게 이동해 각각 물과 반응하게 할 확률을 높이는 것이다.
연구팀은 최근 각광받고 있는 광전극 물질인 비스무스 바나데이트를 나노선 형태의 산화아연위에 얇게 입혀 이종구조를 만들고 금 나노입자를 그 위에 분산시킨 새로운 형태의 다중 구조 광전극을 이용하면 빛의 흡수와 전하의 이동을 모두 향상시킬 수 있을 것이라 예측했다.
실제 이와 같은 다중 구조 광전극을 제작 및 측정한 결과 빛의 흡수 및 전하 전달 특성이 기존의 비스무스 바나데이트 광전극보다 향상되고 광전류 밀도 값이 월등히 증가함을 확인할 수 있었다.
즉 나노선 형태의 산화아연은 구조적인 이점으로 빛의 산란을 일으켜 흡수를 향상시킬 뿐만 아니라, 생성된 전하가 재결합되는 것을 방지하고 빠른 전하 이동을 돕는다. 또한 금 나노입자 내에서 자유전자들이 집단적으로 진동하여 빛의 흡수를 향상시키고, 표면에 강한 전기장을 만들어 광전극과 물 계면에서의 반응성을 활발하게 만든다.
이러한 효과들로 인해 야기되는 광전극의 광전류 밀도 향상은 태양에너지-수소에너지의 변환 효율 향상과 직결된다. 연구팀에 따르면 광활성 물질에 나노막대과 플라즈모닉 나노입자를 도입한 다중 광전극을 통해 수소 생산 효율을 높일 수 있다고 한다.
이상한 교수는 “비스무스 바나데이트를 산화아연 나노막대에 얇게 코팅한 이종구조에 플라즈모닉 금 나노입자를 분산시켜 제작한 광전극을 이용할 시 빛의 흡수뿐 아니라 전하의 이동 또한 원활하게 이루어질 수 있음을 확인할 수 있었다”며 “나노막대 및 플라즈모닉 나노입자가 동시에 적용된 다양한 광활성 물질 기반 광전극들을 제작 및 이용하는 것이 수소 생산 효율을 향상시키는데 있어 매우 효과적인 방법이 될 수 있음을 확인한 것이 이번 연구의 가장 큰 성과”라고 말했다.
GIST 신소재공학부의 이상한 교수(교신저자)가 주도하고, 김승규 통합과정생(공동 제1저자)과 유이종 석사졸업생(공동 제1저자)이 수행한 이번 연구 결과는 ‘Catalysis Science & Technology(IF=5.365)’에 온라인으로 게재되었으며, 표지논문으로 선정되었다.