DGIST, 4V 저전압 공정으로 태양광 수소 생산 효율 10배 높여

대구겅북과학기술원(이하 DGIST) 연구팀이 유해 용매와 고전압 사용을 줄이면서 기존보다 광전류를 10배 이상 높인 태양광 수소 생산 기술을 개발했다.DGIST는 에너지공학과 최종민 교수 연구팀이 국민대 화학과 김영훈 교수 연구팀과 공동으로 물 기반 저전압 공정을 활용한 고효율 광전극 제조 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.태양광으로 수소를 생산하는 기존 기술은 안정성이 높은 이산화티타늄을 활용하지만 자외선만 흡수해 효율이 낮았다. 이를 보완하기 위해 은·비스무트계 나노소재를 결합하는 방식이 연구돼 왔으나, 소재를 전극에 부착하는 과정에서 200V 이상의 고전압과 독성 유기 용매가 필요하다는 한계가 있었다.연구팀은 나노결정 표면의 분자를 물과 잘 섞이는 친수성 분자로 바꾸고, 수용액에서 전기를 가해 입자를 전극에 부착하는 ‘수계 전기영동증착’ 공정을 적용했다. 이를 통해 공정 전압을 기존 200V 수준에서 4V로 낮추고, 유기 용매 없이 3분 만에 전극을 제조하는 데 성공했다. 고전압으로 인한 표면 손상과 산화 부산물 형성 문제도 줄였다.개발된 광전극은 기존 단일 소재 전극보다 광전류가 10배 이상 높았으며, 태양광과 유사한 조건에서 ㎠당 3.0mA의 광전류 밀도를 기록했다. 2시간 연속 조사 후에도 초기 성능의 65.1%를 유지했으며, 기체 분석을 통해 수소 발생도 확인했다.특히 납과 카드뮴을 사용하지 않는 소재를 적용하고 증착 과정에서 유기 용매와 고전압 의존도를 낮춰 친환경 수소 생산 기술의 실용화 가능성을 높였다는 평가다.최종민 교수는 “안전한 물 기반 저전압 공정으로 높은 수소 생산 효율을 확보했다”며 “친환경 수소 생산 기술의 실용화를 앞당기는 기반이 될 것”이라고 말했다.이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업 및 이노코어 사업 지원으로 수행됐다. DGIST 박진영 박사와 김해정 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘Small’에 게재됐다.