UNIST·고려대, 세계 최고 효율 수소생산 ‘유기반도체 광전극’ 개발

- 촉매 조밀도·부착력 개선돼 수소 발생 효율·내구성 향상

연구진사진. 좌측부터 김진영 UNIST 교수, 우한영 고려대학교 교수, 하정민 고려대학교 연구원, 김재형 UNIST 연구원. (자료제공: UNIST)

특수 고분자를 적용한 유기 광전극 구조와 수소 생산 성능. (자료제공: UNIST)

세계 최고 수준의 태양광 수소 생산 성능을 갖춘 장수명 유기반도체 광전극이 개발됐다.

UNIST 탄소중립대학원 김진영 교수와 고려대학교 우한영 교수팀은 유기 광전극에 백금 촉매를 고르고 단단하게 부착할 수 있는 물질을 개발해 무기 광전극과 비견되는 수소 생산 성능을 지닌 장수명 유기 광전극을 만들었다고 2월 26일 밝혔다.

태양광 수소 생산은 물속에 담긴 광전극에 햇빛을 쪼여 수소를 생산하는 기술이다. 광전극의 반도체 광활성층이 햇빛을 받으면 전자가 생기는데, 이 전자가 물에서 수소가 생기는 화학반응을 일으키는 원리다. 표면에는 백금 촉매가 발라져 있어, 화학반응에 필요한 에너지를 낮춰준다. 

유기 반도체 광활성층을 사용하는 유기 광전극은 이 백금 촉매가 고르게 입혀지지 않거나 수소 생산 반응 도중 쉽게 떨어지는 문제가 있다. 유기 광전극이 저렴한 생산 비용과 가볍고 유연하다는 장점에도 불구하고 상용화가 어려운 주된 원인 중 하나였다. 

공동 연구팀은 광활성층에 자체 개발한 다기능성 특수 고분자(PNDI-NI)를 코팅해 효율과 내구성이 뛰어난 유기 광전극을 만들었다. 이 특수 고분자는 유기 광전극에 쓰는 일반적인 소수성 고분자와는 달리 소수성과 친수성을 모두 갖춘 특징이 있어 백금 촉매가 표면에 고르게 형성될 수 있다. 

백금 촉매는 수용액 속에 녹아 있는 이온 상태의 백금이 광전극 표면에서 고체로 바뀌는 형태로 입혀지게 되는데, 광활성층이 수용액을 밀어내는 소수성이라 백금이 고르게 입혀지기 힘들었다. 개발된 특수 고분자의 친수성 부분이 이러한 단점을 보완해 준다. 

특히 친수성 부분의 아이오딘 이온은 백금 이온이 고체 백금으로 빠르게 성장할 수 있도록 돕고, 백금을 흡착하는 역할도 한다. 이 덕분에 백금 입자가 광전극 표면에 더 조밀하게 형성되고, 생성된 백금 촉매는 표면에 잘 고정돼 내구성 문제까지 잡을 수 있다. 

실험 결과, 이 기술을 적용한 유기 광전극은 중성 전해질 조건에서 17.69 mA cm⁻²의 높은 광전류 밀도를 기록했으며, 외부 전압을 고려한 광전 변환 효율(ABPE)은 8.88%에 달했다. 이는 유기 기반 광전극 가운데 세계 최고 수준의 성능이며, 일반적으로 유기 광전극보다 효율이 뛰어난 것으로 여겨지는 무기 광전극과 유사한 수준이다. 

공동 연구팀은 “특수 고분자 코팅부터 백금 촉매 형성까지 모두 용액 상태에서 진행할 수 있어 대면적 제작에 유리하고, 백금 외의 다양한 촉매 물질과 유기 광전극으로 확장할 수 있는 기술”이라며 “태양광으로 수소를 직접 생산하는 태양광 수소 생산의 산업 현장에 적용되는 데 필요한 기술적 토대를 마련했다”고 전했다. 

고려대학교 하정민·슈란 쉬(Shuran Xu), UNIST 김재형 석·박사 통합과정 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 이루어졌다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 1월 6일 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]