[월간수소경제 성재경 기자] ‘인공나뭇잎’의 수소생산 효율을 극대화하는 기술이 개발됐다. 인공나뭇잎은 식물의 광합성 원리를 본떠 물속에서 햇빛을 받아 수소를 만드는 장치다. 탄소 배출 없이 청정 연료인 수소생산이 가능해 탄소중립 시대를 앞당길 기술로 기대를 모은다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학부 장지현 교수팀은 게르마늄을 인공나뭇잎에 도핑(doping)해 수소생산 효율을 높이는 제조기술을 개발하는 데 성공했다. 

인공나뭇잎 시스템의 핵심은 광촉매로, 값이 싸면서 물속에서도 안정적인 산화철(철의 녹 성분)을 주원료로 쓴다. 하지만 산화철은 전기전도도가 낮아 이를 높여 줄 첨가제(도핑제)가 필요하다. 

게르마늄도 주요 도핑제 후보 중 하나지만 이론상 기대치에 비해 실제로는 효과가 크지 않아 널리 연구되지 않는 물질이다. 

연구팀은 광촉매 전극 제조 과정에서 그 원인을 찾아냈다. 주석(Sn) 성분이 고온의 열처리를 거치면서 광촉매 속으로 침투해 내부 구조를 훼손한 것이다. 주석은 광촉매에 붙여 쓰는 투명전극(FTO)에 포함된 성분이다.

장 교수팀은 열처리 때 주석이 함께 도핑되는 것을 막는 산화게르마늄 막 코팅법을 개발해 이 문제를 해결했다. 광촉매 표면적이 열처리 후에 주는 문제도 함께 해결되면서 수소생산 효율이 3배나 높아졌다. 

제1저자인 윤기용 UNIST 에너지화학공학과 박사과정 연구원은 “간단한 표면처리로 산화철 광촉매 기술의 문제점이었던 낮은 전기전도도와 열처리 후 표면적 감소 현상을 단번에 해결할 수 있게 됐다”고 밝혔다.  

또 이번에 개발한 코팅법은 미량의 게르마늄 용액에 담갔다 빼기만 하면 될 정도로 과정이 간단해 상업화에도 유리하다. 

장지현 교수는 “기존의 단일 산화철 전극으로 구성된 인공나뭇잎 기술은 수소생산 효율이 대부분 1~3%에 머물렀다”며 “이번 연구에서 입증한 5% 효율은 기존 기술과 비교하면 세계 최고 수준”이라고 말했다. 

장 교수는 “산화철은 이론적으로 15%의 수소생산 효율을 낼 수 있는 물질이라 가격 측면에서뿐만 아니라, 기술 잠재력도 우수한 광촉매 후보”라며, “더 정교한 제조 기술을 개발해 수년 내에 상용화를 이루는 것이 목표”라고 밝혔다.

이번 연구에는 UNIST　에너지화학공학과 석상일 교수와 이준희 교수가 함께 참여했다. 연구 성과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 7월 14일자로 공개됐다.