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수소 만드는 인공 나뭇잎 생산 효율 극대화 기술 개발

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학부 장지현 교수팀 개가

인공 나뭇잎은 광촉매로 식물 엽록소처럼 햇빛 받아 전자 만드는 원리

열처리 때 주석 도핑화 막는 산화게르먀늄 막 코팅법 개발 효율성 높여

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식물의 광합성 원리에서 착안해 물속에서 햇빛을 받아 수소를 만드는 장치인 ‘인공 나뭇잎’의 생산 효율을 극대화하는 기술을 울산과학기술원(UNIST) 연구팀이 개발했다.

 UNIST는 에너지화학공학부 장지현 교수 연구팀이 게르마늄을 인공 나뭇잎 원료에 도핑(doping·특정 성능을 얻기 위해 물질에 다른 물질을 첨가하는 기술)해 수소 생산 효율을 높이는 제조 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

 연구팀에 따르면 인공 나뭇잎 시스템의 핵심은 광촉매로 식물 엽록소처럼 햇빛을 받아 전자를 만드는 역할을 한다. 광촉매 주재료로는 값도 싸고 물속에서 안정적인 산화철이 꼽히는데, 전기 전도도가 낮아 이를 높여 줄 첨가제(도핑제)가 필요하다.

 게르마늄은 이론상 뛰어난 도핑제이지만, 실제로는 다른 도핑제보다 효과가 크지 않은 의문점이 있어 널리 연구되지 않은 물질이다.

 이에 연구팀은 광촉매 전극 제조 과정에서 그 원인을 찾아냈다. 광촉매에 붙여 쓰는 투명전극에 포함된 주석 성분이 고온의 열처리를 거치면서 광촉매 속으로 침투하는데, 광촉매 내부에 게르마늄과 주석이 함께 있으면 내부 구조를 크게 훼손하기 때문이다.

 이런 점에 주목한 연구팀은 열처리 때 주석이 함께 도핑되는 것을 막는 산화게르마늄 막 코팅법을 개발했다. 이 코팅법은 산화철을 미량의 게르마늄 용액에 담갔다 빼기만 하면 될 정도로 과정이 간단해 상업화에도 유리하다고 연구팀은 설명했다. 광촉매 표면적이 열처리 후에 줄어드는 문제도 함께 해결돼 수소 생산 효율은 3배나 높아졌다.

 장지현 교수는 “기존 단일 산화철 전극으로 구성된 인공 나뭇잎 기술은 수소 생산 효율이 대부분 1∼3%에 머물던 한계가 있었는데, 이번 연구에서 입증한 5% 효율은 기존과 비교하면 세계 최고 수준”이라며 “보다 정교한 제조 기술을 개발해 수년 내 상용화를 이루는 것이 목표”라고 말했다.

 한편, 이번 연구에는 에너지화학공학과 석상일 교수와 이준희 교수가 함께 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’(Nature Communications)에 14일 자로 공개됐다. 연구는 한국연구재단(NRF)의 ‘중견연구자 지원 사업’, ‘온사이트 수소 충전소를 위한 광전기화학 수소생산기술 및 시스템 개발 사업’과 에쓰오일의 지원을 받아 이뤄졌다.방종근 기자 jgbang@kookje.co.kr

   
[연구그림] 산화철(Fe2O3)을 활용한 인공나뭇잎의 수소 생산 개념도
   
[연구그림]산화철 전극을 이용한 인공 나뭇잎 시스템 모식도
   
수소 생산 효율을 높이는 기술을 개발한 울산과학기술원 연구팀. 사진 왼쪽부터 곽명준 연구원, 장지현 교수, 윤기용 연구원, 박주형 연구원. 울산과학기술원 제공
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