양우석 교수 공동연구팀, 태양에너지와 물을 이용한 고효율 청정 수소 생산 기술 개발

- 값싼 소재 활용 청정 수소 생산 효율 10% 돌파

▲(왼쪽부터) 성균관대 박재민 박사, 한국과학기술연구원 이진형 석사, 화학공학과 조새벽 교수, 한국과학기술연구원 손해정 박사,  성균관대화학공학과 양우석 교수

화학공학과 양우석 교수와 조새벽 교수 연구팀, 그리고 한국과학기술연구원(KIST) 손해정 박사 연구팀은 저비용 니켈 화합물 촉매를 활용하여 유기물 광흡수층* 소재 기반 최고 효율의 태양광 수소 생산 장치를 개발했다고 밝혔다.

* 유기물 광흡수층: 유기 재료로 구성된 반도체층으로, 태양광을 흡수해 전자를 생성하는 역할을 하며, 저독성·고흡광·가공 용이성 등의 장점으로 차세대 수소 생산 광흡수 소재로 주목받고 있다.

태양광을 이용한 수소 생산은 온실가스를 배출하지 않는 차세대 청정 에너지 기술로 각광받고 있지만, 상용화를 가로막는 가장 큰 걸림돌은 높은 제조 비용과 낮은 효율이다. 특히, 백금과 같은 고가의 귀금속 촉매와 무기 반도체 기반 광흡수층은 소재비용을 급격히 증가시킨다.

▲ 통합된 광전극과 NiFe-OH 양극으로 구성된 전체 장치의 개략도

본 연구에서는 지구상에 풍부하고 저렴한 니켈 기반 촉매(Ni-Heazlewoodite)와 3성분계 유기물 광흡수층을 활용한 통합형 수소 생산 장치를 개발하였다. 니켈 촉매는 셀레늄 (Se)을 첨가해 수소 발생 반응의 활성점을 증가시키고 전하 이동을 개선했으며, 유기물 광흡수층은 PM6, D18, L8-BO로 구성된 벌크 이종접합 구조를 적용해 고광전류와 충분한 광전압을 동시에 확보하였다. 이 모든 소재를 단순한 구조의 소자에 통합해 무전해 조건에서 10% 이상의 태양광-수소 변환 효율을 달성하였다.

▲ 유기반도체 광흡수체 기반 수소 분해 시스템의 STH 성능 벤치마크. 귀금속 기반 촉매는 빨간색으로, 비용 효율적인 촉매는 초록색으로 표시됨

교신저자인 양우석 교수는“현재 고성능 태양광 수소 생산 소자는 너무 비싸고, 값이 저렴한 소자는 효율이 낮다.”며 “이번 연구는 니켈 기반 촉매와 3성분계 유기물 광흡수층을 이용해 가격과 성능, 두 마리의 토끼를 잡아 청정 수소 생산 기술의 상용화에 중요한 마일스톤이 될 것으로 기대한다”고 말했다. 또한 KIST 손해정 박사는“태양광에너지를 활용한 수소 생산은 향후 무탄소에너지원의 핵심기술이 될 것이다”라고 밝혔다.

이 연구결과는 한국연구재단 개인 기초연구사업 및 사업통상자원부 소재부품기술개발사업의 지원으로 수행되었으며 에너지분야 국제학술지 Carbon Energy 에 4월 2일에 게재되었다.

※ 논문명: 10% Efficient Solar-to-Hydrogen Conversion via Ternary-Phase Organic Light Absorbers with Ni-Heazlewoodite Electrocatalysts

※ 저널: Carbon Energy

※ DOI: https://doi.org/10.1002/cey2.706

※ 저자: 제1저자 성균관대 박재민 박사, 한국과학기술연구원 이진형 석사, 교신저자 성균관대 양우석 교수, 조새벽 교수, 한국과학기술연구원 손해정 박사