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태양광 이용한 수소생산, 효율 최대 97% 향상돼

광전극 이용해 에너지 효율 극대화 가능

태양광 이용한 수소생산, 효율 최대 97% 향상돼
TiO2나노막대/황화물/니켈산화물 광전극 제작 공정과 전자 밴드 구조


[산업일보]
수소는 연료로 사용될 때 대기오염 없이 물만 배출하는 청정에너지원이다. 그러나 수소를 만들기 위해 화석연료를 개질하는 과정에서 오히려 온실가스인 이산화탄소를 대량 배출하는 문제가 있다. 대안으로써 전기나 태양광을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하려는 시도가 활발하지만, 효율이 매우 낮아 실용화가 어려웠다.

태양빛을 이용한 수소 생산 기술이 실용화를 향해 한층 향상되었다. 서형탁 교수(아주대학교) 연구팀은 최대 97%까지 태양광‧전류의 전환 효율을 향상시킨 수소 생산 광전극을 개발했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

연구팀은 전극에서 태양광으로 생성된 전하의 이동을 촉진함으로써, 광전류 전환 효율을 60% 수준에서 97%로 향상시켰다. 수소 생산 효율도 뛰어나, 1㎠의 광전극을 이용해 시간당 3㎎의 수소 기체가 발생했다.

기존 연구들은 태양광을 흡수해 전하를 잘 생성하는 소재 개발에 치우쳤으나, 이 연구에서는 전하를 양극과 음극으로 효율적으로 분리하기 위해 니켈산화물을 적층한 것이 핵심적이다. 빛에 의해 생성된 전하의 손실도 최소화됐다.

개발된 전극은 3가지 소재가 쌓인 텐덤 구조이다. 빛을 흡수해 양전하와 음전하를 생성하는 이산화티타늄 나노막대와 황화물 박막 위에 니켈산화물 박막이 증착됐다. 단일 전극으로써 빛에 직접 반응하는 일체형이다.

서형탁 교수는 “저가의 니켈산화물을 전하 분리 보호막으로써 고효율 나노구조 광전극에 적용하였고, 최고 수준의 광전환 효율로 수소를 생산했다”라며, “추가적으로 장기 광화학반응 안정성을 개선해 실용화를 목표로 연구를 지속할 예정”이라고 밝혔다.

서 교수의 설명에 따르면, 이 연구에서 효과적인 태양광 물분해 수소 생성을 하는 TiO2나노막대/CdS/NiOx로 구성된 나노구조 p-n접합을 제조하고 이의 효율증가와 증가 요인을 전자 밴드 구조를 통해 규명했다.

아울러, 이 연구를 통해 기존 광전기화학적 물 분해 전극의 제조에 있어 효과적으로 수소 생산 효율을 증가 시킬 수 있는 방법을 제시했고 기존 다른 여러 구조에도 응용이 가능하다. 이를 통해 태양광 물 분해 수소생산의 실용화에 사용하여 청정한 수소 생산 기술 발전에 이바지할 수 있다.
김진성 기자 weekendk@kidd.co.kr

안녕하세요~산업1부 김진성 기자입니다. 스마트공장을 포함한 우리나라 제조업 혁신 3.0을 관심깊게 살펴보고 있으며, 그 외 각종 기계분야와 전시회 산업 등에도 한 번씩 곁눈질하고 있습니다.

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