[기계신문] 광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 이상한 교수 연구팀이 비스무스 바나데이트가 나노막대 형태의 산화아연과 이종구조를 이룬 광전극 표면에 플라즈모닉 금 나노입자를 분산시킨 새로운 구조의 물분해 수소 생산용 광전극을 개발했다고 16일 밝혔다.
효율적으로 친환경 수소 에너지를 생산하기 위해서는 광전극이 빛을 최대한 많이 흡수하여 많은 양의 전자(음의 전하를 띠고 있는 기본 입자)와 정공(양의 전하를 띠고 있는 기본 입자)을 발생시켜야 한다.
뿐만 아니라 발생된 전자와 정공들이 광전극 내에서 서로 다시 재결합되지 않고 빠르게 이동시켜 각각 물과 반응하게 할 확률을 높이는 것이 무엇보다 중요하다.
연구팀은 최근 가장 각광받고 있는 광전극 물질인 비스무스 바나데이트를 나노선 형태의 산화아연위에 얇게 입혀 이종구조를 만들고 금 나노입자를 그 위에 분산시킨 새로운 형태의 다중 구조 광전극을 이용하면 빛의 흡수와 전하의 이동을 모두 향상시킬 수 있을 것이라 예측하였다.
실제 이와 같은 다중 구조 광전극을 제작 및 측정한 결과 빛의 흡수 및 전하 전달 특성이 기존의 비스무스 바나데이트 광전극보다 향상되어 광전류 밀도 값이 월등히 증가됨을 확인되었다.
즉, 나노선 형태의 산화아연은 구조적인 이점으로 빛의 산란을 일으켜 흡수를 향상시키고, 생성된 전하가 재결합되는 것을 방지 및 빠른 전하 이동을 돕는 역할을 수행한다.
또한 금 나노입자 내에서 자유전자들이 집단적으로 진동하여 빛의 흡수를 향상시키고, 표면에 강한 전기장을 만들어 광전극과 물 계면에서의 반응성을 활발하게 만든다.
이러한 효과들로 인해 야기되는 광전극의 광전류 밀도 향상은 태양에너지를 친환경 수소에너지로 변환하는 효율의 향상과 직결된다. 따라서 광활성 물질에 나노막대과 플라즈모닉 나노입자를 도입한 다중 광전극 제작이 결과적으로 수소 생산 효율을 높일 수 있다.
이상한 교수는 “비스무스 바나데이트를 산화아연 나노막대에 얇게 코팅한 이종구조에 플라즈모닉 금 나노입자를 분산시켜 제작한 광전극을 이용할 시 빛의 흡수뿐 아니라 전하의 이동 또한 원활하게 이루어질 수 있음을 명확히 확인하였고, 나노막대 및 플라즈모닉 나노입자가 동시에 적용된 다양한 광활성 물질 기반 광전극들을 제작 및 이용하는 것이 수소 생산 효율을 향상시키는데 매우 효과적임을 확인한 것이 가장 큰 성과”라고 말했다.
이번 연구는 교육부, 과학기술정보통신부 및 한국연구재단이 추진하는 이공학개인기초연구지원사업 및 미래소재디스커버리사업의 지원과 GIST 기후변화대응기술 개발과제 및 창조적 도전 과제의 지원으로 수행되었다.
연구결과는 카탈리시스 사이언스 & 테크놀러지(Catalysis Science & Technology) 5월 23일자 온라인 게재되었으며, 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정되었다.