DGIST 최종민 교수팀, 친환경 수소 생산 새 길 열어···광전극 성능 10배 개선

[프라임경제] 태양광을 이용해 수소를 생산하는 과정에서 전력 소모와 유해 화학물질 사용을 줄일 수 있는 새로운 전극 제조 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 

기존 공정의 높은 전압 문제를 해결하면서 광전극의 성능까지 크게 높여 친환경 수소 생산 기술의 발전에 기여할 것으로 기대된다.

DGIST은 에너지공학과 최종민 교수 연구팀이 국민대학교 화학과 김영훈 교수 연구팀과 공동으로 수용액 환경에서 낮은 전압만으로 고성능 광전극을 제작하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구는 태양광을 전기에너지로 전환해 물에서 수소를 얻는 광전기화학 기술의 효율과 제조 공정의 친환경성을 함께 개선하는 데 초점을 맞췄다.

기존 광전극에는 화학적 안정성이 높은 이산화티타늄(TiO₂)이 주로 사용됐다. 하지만 이 소재는 태양광 가운데 자외선에 대한 반응이 중심이어서 빛을 충분히 활용하는 데 제약이 있었다. 

연구진은 이러한 한계를 보완하기 위해 가시광선까지 흡수할 수 있는 은·비스무트계 나노소재를 활용했다.

문제는 소재 자체의 성능보다 전극에 부착하는 제조 과정에 있었다. 종전 방식은 나노소재를 전극에 고정하기 위해 200V 이상의 고전압을 가하고 독성 유기용매를 사용해야 했다. 

이는 제조 과정의 안전성과 환경성을 떨어뜨릴 뿐 아니라, 전극 표면에 손상을 주거나 원치 않는 산화 부산물이 생길 가능성도 있었다.

연구팀은 나노입자 표면의 분자 구성을 조절해 물과 잘 섞이도록 만든 뒤, 물속에서 전기장을 이용해 입자를 전극에 부착하는 방식을 적용했다. 수용액을 활용한 전기영동증착 공정을 통해 기존의 고전압·유기용매 중심 제조 방식에서 벗어날 수 있도록 한 것이다.

새로운 공정의 가장 큰 특징은 제조 전압을 4V까지 낮췄다는 점이다. 기존 200V 수준과 비교하면 필요한 전압을 대폭 줄인 것으로, 일상적인 건전지 수준의 낮은 전압에서도 전극 제작이 가능해졌다. 소재를 전극에 입히는 데 걸리는 시간은 약 3분으로 나타났다.

광전극의 성능도 향상됐다. 연구진이 태양광과 비슷한 조건에서 평가한 결과, 새 전극의 광전류 밀도는 1㎠당 3.0mA를 기록했다. 

이는 기존 단일 소재 전극보다 10배 이상 높은 수준이다. 빛을 받아 전류를 만들어내는 능력이 향상되면서 태양광을 이용한 수소 생산에 필요한 전기화학 반응을 촉진할 가능성을 보여줬다.

내구성 평가에서는 빛을 연속적으로 2시간 동안 조사한 뒤에도 최초 성능의 65.1%를 유지했다. 연구팀은 생성된 기체를 분석해 수소 발생 여부도 확인했다. 다만 실제 상용화를 위해서는 장시간 운전 시 성능 유지와 생산 규모 확대 등 추가 검증이 필요할 것으로 보인다.

이번 기술은 전극 제조 과정에서 납과 카드뮴을 배제한 소재를 사용하고, 독성 유기용매 사용과 고전압 공정에 대한 의존도를 낮췄다는 점에서 의미가 있다.

친환경 에너지를 생산하기 위한 기술이 제조 단계에서도 환경 부담을 줄일 수 있는 방향으로 발전했다는 점에서 향후 응용 가능성이 주목된다.

최종민 DGIST 에너지공학과 교수는 "이번 성과가 고전압과 유독성 용매에 의존했던 기존 제조 공정의 한계를 개선하고, 물을 기반으로 한 저전압 환경에서 높은 수소 생산 성능을 구현했다는 데 의미가 있다"고 밝혔다. 이어 관련 기술이 친환경 수소 생산의 실용화를 앞당기는 기반이 될 것으로 기대했다.

연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업 및 과학기술정보통신부 이노코어 사업의 지원으로 진행됐다. DGIST 박진영 박사와 김해정 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 재료 분야 학술지 'Small'에 게재됐다.