나뭇잎 속 ‘전하 이동 계단’ 닮은 염료감응 인공광합성 전극 개발

- UNIST, 고효율·내구성 확보한 친환경 인공광합성 전극 개발

- 납 없는 염료로 세계 최고 수준 과산화수소 생산 효율 기록

연구진사진. (좌측부터) 권태혁 교수, 장지욱 교수, 박준혁 연구원, 김경림 연구원, 이진영 연구원. (자료제공: UNIST)

염료감응 광전기화학 전극(DSPEC)의 작동 원리. (자료제공: UNIST)

식물의 광합성에서는 엽록소가 태양빛을 받아 만든 전하가 내부의 ‘전하전달계’를 타고 유실 없이 포도당과 같은 연료 합성 지점까지 도달할 수 있다. 인공광합성에도 엽록소와 같은 역할을 하는 염료를 이용해 손실 없이 전하를 전달함으로써 외부 전력 없이도 태양광만으로 수소나 과산화수소를 생산할 수 있는 전극이 개발됐다.

UNIST(총장 박종래)는 화학과 권태혁 교수와 에너지화학공학과 장지욱 교수팀이 전하 전달 손실을 줄이고, 내구성을 높인 염료감응 인공광합성 전극을 개발했다고 5월 7일 밝혔다.

인공광합성 전극은 햇빛을 받아 물에서 수소, 과산화수소 등을 생산하는 인공광합성의 핵심 부품이다. 그중 염료감응 인공광합성 전극은 유기 염료가 식물 엽록소 역할을 하는 전극으로, 일부 인공광합성 전극과 달리 납과 같은 유해 물질이 없다.

연구팀이 개발한 전극은 이 유기 염료층과 레독스 매개체라는 물질을 니켈 포일로 감싸 매립해 넣은 구조다. 이 구조에서는 빛을 받은 염료에서 생성된 전하가 한 번에 이동하는 것이 아니라, 염료 → 레독스 매개체 → 니켈 포일 → 촉매 순서로 차례로 전달된다. 서로 다른 물질을 단계적으로 거치면서 에너지 차이에 따라 ‘한 칸씩 내려가듯’ 이동하게 돼, 전하가 되돌아가거나 중간에 소멸되는 것을 줄일 수 있다.

식물 나뭇잎에서도 엽록소에서 생긴 전하가 여러 전자전달 단백질을 거치며 낮은 에너지 단계로 순차적으로 전달되기 때문에, 손실 없이 최종 반응까지 도달할 수 있다. 또 이 니켈 포일은 유기 염료가 액체 수계 전해질과 직접 닿는 것도 막아준다. 기존의 염료감응 광전극은 엽록소 역할의 염료가 수계 전해질과 직접 맞닿는 구조라 전하 이동 과정에서 쉽게 사라지고, 염료 자체도 수계 전해질에 노출되면서 떨어지기 쉬웠다.

개발된 인공광합성 전극은 물을 분해하는 반응에서 98%의 패러데이 효율을 기록했는데, 이는 염료가 만든 100개의 전하 중 약 98개가 실제 화학 반응에 잘 도달했다는 의미다.

이 전극을 물에서 과산화수소를 생산하는 인공광합성 시스템에 적용했을 때는 외부에서 전압을 걸어주지 않고도 태양광만으로 4.15%의 높은 태양광-연료 변환 효율(STF)을 달성했다. 이는 세계 최고 수준의 효율이다. 150시간 동안 성능 저하도 없었다.

제1저자인 박준혁 박사는 “식물이 전하를 거의 잃지 않고 전달하는 방식을 인공 소자 설계에 이식한 기술”이라고 밝혔다.

권태혁 교수는 “전극의 계면 설계를 통해 염료감응형 시스템의 효율과 수명 문제를 동시에 보완한 사례”라며 “유해 물질 없는 친환경 시스템으로 고부가가치 화학 원료를 생산할 수 있는 기술적 토대를 마련했다”고 설명했다.

이번 연구는 UNIST 박준혁 박사, 김경림, 이진영 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 ‘Bias-Free Highly Efficient and Stable Dye-Sensitized Photoelectrochemical Cells via Cascade Charge Transfer’ 제목으로 4월 13일 출판됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]