국립창원대학교 G-램프(LAMP)사업단이 2차원 그래다인(Graphdyne, GDY)을 활용한 혁신적인 수소 생산 기술을 개발했다고 밝혔다.

손호기 박사와 곽진성 교수 연구팀은 구리 폼(Cu foam)의 산화를 통해 산화구리 폼(CuO foam)을 만들고, 여기에 2차원 GDY를 결합한 2D GDY/CuO foam 이종 접합 광전극을 제작했다.

연구팀은 이 광전극을 이용해 태양광 기반 수소 생산 실험을 수행했으며, 밀도범함수 이론(Density Functional Theory, DFT)을 통한 이론적 검증도 함께 진행했다.

실험 결과 새로운 광전극은 수소 발생 반응(HER)에서 70 μmol h-1 ㎝-2의 성능을 보였고, 패러데이 효율(Faraday efficiency)은 88.6%에 달했다.

이같은 높은 효율은 2D GDY/CuO foam 광전극에서 Z-scheme 전자-정공 메커니즘이 작동해 태양광으로 생성된 전자-정공 쌍의 재결합을 방지하고 광-수소 전환 반응을 가속화했기 때문이다.

특히 탄소 기반 2D GDY가 CuO 대비 낮은 흡착 에너지 특성을 보여 수소 발생 반응 효율 향상에 핵심 역할을 했다고 연구팀은 설명했다.

이번 연구 성과는 'Direct Z-scheme-Based 2D Graphdiyne/Cupric Oxide Heterojunction for Enhancing Solar-to-Hydrogen Conversion Efficiency'란 제목으로 국제 학술지 'Journal of Materials Chemistry A'에 게재됐다. 제1저자는 손호기 LAMP포닥, 교신 저자는 곽진성 LAMP교원이다.

곽진성 교수는 "2차원 소재 캡슐화와 Z-scheme 메커니즘의 결합으로 수소 생산 효율을 개선한 연구"라며 "앞으로 태양광 활용 친환경 에너지 전환 기술 개발에 더 집중하겠다"고 밝혔다.

이번 연구는 국립창원대 G-램프사업단의 지원으로 이뤄졌으며, 연구팀은 앞으로 태양광 기반 광전극 소재 개발 연구를 이어갈 예정이다.