특정 결정 방향으로의 광전극 제작을 통한 고효율 물 분해 수소생산 가능
앞으로 다가올 에너지 위기를 대처하기 위해 무한한 자원인 태양에너지를 어떻게 효율적으로 활용하느냐가 가장 관건이라고 할 수 있다.
그 중에서도 광전기화학반응을 이용한 물 분해 연구는 태양에너지를 이용하여 물을 분해하여 수소를 얻는다는 점에서 전 세계적인 관심을 받고 있다.
하지만 물 분해의 상용화를 위해서는 물 분해 효율이 최소한 15% 이상이 되어야 하기 때문에 태양에너지 전환 효율을 높이는 기술을 개발하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
최근 국내 연구진이 광전극의 결정방향 제어를 통해서 친환경 수소 에너지 생산 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 가능성을 확인하였다.
광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 이상한 교수 연구팀이 비스무스 바나데이트 광전극이 결정방향에 따라 상이한 광 반응 특성을 가진다는 사실을 최초로 밝혀 고효율의 물 분해 수소 생산을 위해 광전극의 결정방향의 제어가 필요하다는 근거를 제시했다.
* 비스무스 바나데이트 (BiVO4) : 2.4 eV의 비교적 낮은 밴드갭을 가지고 있는 n형 반도체 물질
* 결정(crystal) : 원자나 이온들이 규칙적으로 배열하고 있는 고체 상태의 물질
광전극이란 태양빛을 흡수하여 전하들을 발생시키는 물질로 만들어진 전극을 말하며, 발생한 전하들은 물과 반응하여 친환경 수소 에너지를 발생시킨다.
따라서 효율적으로 친환경 수소 에너지를 생산하기 위해서는 발생한 전하들이 광전극 내에서 물과 만나는 계면으로 잘 전달되어 물과 반응하게 할 확률을 높이는 것이 무엇보다 중요하다.
연구팀은 최근 가장 각광받고 있는 광전극 물질인 비스무스 바나데이트가 결정의 방향에 따라 서로 상이한 전하 전달 특성을 가짐을 최초로 실험적으로 밝혔다.
연구 결과, 비스무스 바나데이트 광 전극 박막은 결정방향에 따라 전하 전달 특성에 의존하는 광전류 밀도 값이 서로 확연히 다르다는 것이 확인되었다.
즉, 결정방향의 유형 중 하나인 수직 결정 방향(c-축, (001) 방향)에 비해 수평 결정 방향(b-축, (010) 방향)에서 광전류 밀도가 300% 이상 향상되었다.
이러한 광전류 밀도의 향상은 태양에너지를 친환경 수소에너지로 변환하는 효율의 향상과 직결된다고 말할 수 있으며, 나아가 특정 결정 방향으로의 광 전극 제작이 결과적으로 수소 생산 효율을 높일 수 있다고 연구팀은 설명했다.
이상한 교수는 “이번 연구를 통해 친환경 수소 생산을 위한 대표적인 광전극 물질인 비스무스 바나데이트가 근본적으로 결정방향에 따른 전하 전달 특성에 있어 이방성을 지니고 있음을 명확히 알 수 있었고, 이 사실에 기초하여 특정 결정방향으로 합성된 광전극을 제작하는 것이 수소 생산 효율을 향상시키는데 있어 매우 효과적인 방법이 될 수 있음을 확인한 것이 큰 성과”라고 말했다.
이상한 교수가 주도하고, 송재선 박사과정이 수행한 이번 연구는 교육부, 과학기술정보통신부 및 한국연구재단이 추진하는 이공학개인기초연구지원사업 및 미래소재디스커버리사업의 지원과 GIST 기후변화대응기술 개발과제의 지원으로 수행되었다.
한편, 연구결과는 화학 분야 국제학술지인 에이시에스 카탈리시스(ACS Catalysis)에 2018년 5월 22일 온라인으로 게재되었다.