태양광을 이용한 친환경 수소 생산을 더 안정적이고 경제적으로 만드는 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST) 탄소 중립대학원 김진영 교수팀은 에너지화학공학과 이재성 교수팀, 고려대학교 화학과 우한영 교수팀과 공동으로 금속 산화물을 전혀 사용하지 않는 '전유기 광산화전극'을 개발했다.

태양광 수소 생산은 물속에 담긴 광전극에 햇빛을 쬐면 전극 표면에서 전기화학 반응이 일어나 물이 수소와 산소로 분해되는 원리를 이용한다. 이 과정에서 수소와 산소를 효율적으로 생산하기 위해 산성, 염기성 용액을 사용하는데, 기존 유기광전극의 금속산화물 전자수송층은 이런 환경에서 쉽게 부식되거나 박리되는 문제가 있었다.

연구팀은 n형 자가조립 단분자막과 p형 고분자 전해질층을 이용한 전유기물 광전극 개발로 이 문제를 해결했다. n형 단분자막은 기판과 유기 광활성층 간의 접착력을 강화하고 전자 전달 효율을 극대화하며 p형 고분자 전해질층은 정공만 선택적으로 전달하고 표면의 친수성을 높여 수용액과의 접촉 효율을 향상시켰다.

이 새로운 유기 광전극은 아스코르브산을 넣은 산성 환경에서 7.92 mA/㎝²의 높은 광전류 밀도를 기록했으며 별도의 보호막이나 금속 캡슐화 없이도 2시간 동안 초기 성능의 90% 이상을 유지해 뛰어난 안정성을 보였다.

김진영 교수는 "이번 연구를 통해 기존 광전극이 갖고 있던 pH 민감성과 박리 문제를 근본적으로 해결했다"며 "전극 전면을 유기물로 구성한 완전 유기 구조의 실용성을 입증한 사례"라고 설명했다.

이번 연구는 UNIST 엽지우 박사, 이진욱 박사와 고려대학교 손재훈 석·박사 통합과정 연구원이 제1저자로 참여했으며 연구 결과는 국제학술지 '에이씨에스 에너지 레터스'에 지난 3월 14일 게재됐다.