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UNIST, 수소생산 효율 높이는 다층박막적층 기법 개발

다층박막적층 기법 이용해 물 속에서 인공광합성용 촉매 결합


[월간수소경제 송해영 기자] UNIST 에너지 및 화학공학부 류정기 교수 연구팀이 다층박막적층(Layer-by-Layer) 기법을 이용해 물속에서 인공광합성용 촉매를 결합하는 기술을 개발했다. 이 방법은 저렴한 촉매를 이용하는데다 공정 방식이 간단하고, 전극의 손상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.


인공광합성은 자연의 광합성 시스템을 모방해 태양에너지를 유용한 자원으로 바꾸는 기술이다. 태양광과 전해액, 광전극만 있으면 친환경적인 에너지를 만들 수 있고 특히 수소를 생산할 수 있어 차세대 에너지 생성 기술로 주목받고 있다.


문제는 광전극의 낮은 효율성 및 경제성이다. 지금까지 광전극 효율을 개선하기 위해 백금 등 고가의 촉매 물질이 사용되었으며, 물질의 종류나 양을 조절하기 어려웠다. 또한 촉매를 적용하는 과정에서 반드시 고온고압의 진공장비를 활용해야 했는데, 해당 장비 활용 과정에서 광전극이 손상되기도 했다.


연구진은 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 접착되는 방식이다.


이렇게 형성된 촉매 다중층(Catalytic Multilayer)은 광전극의 효율과 안정성을 동시에 확보할 수 있었다. 연구진이 산소 생성을 위한 광양극(BiVO)10개 층, 수소 생성을 위한 광음극(CuO)15개 층의 촉매를 쌓아 실험을 진행한 결과 이들 전극은 촉매가 없는 광전극에 비해 효율이 약 10배 높았다. 연구팀은 이번 연구 결과를 바탕으로 최적의 촉매와 그 두께를 찾아 인공광합성 효율을 높이기 위한 연구를 계속해 나갈 계획이다.


류정기 교수는 이번에 개발한 촉매층 형성법은 촉매의 종류나 양을 원하는 형태와 두께로 쉽고 간편하게 형성할 수 있는 기술이라며 물에 담그기만 하면 되는 간단한 공정을 거치기 때문에 기존에 진공장비 사용으로 인해 발생하던 전극 손상문제도 방지할 수 있다고 설명했다.


이번 연구는 에너지공학과의 류정기 교수 외에도 김현우, 배상현 석박사통합과정 연구원이 참여했다. 이번 연구 성과는 우수성을 인정받아 화학 분야 국제학술지인 그린 케미스트리(Green Chemistry)’ 최신판(813일자)에 표지 논문으로 게재되었다. 




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