수소는 차세대 신재생 에너지로 주목을 받고 있다. 현재는 석유를 중심으로
하는 부생소가 인기를 얻고 있지만, 언젠가는 부생수소 대신 햇빛 또는 바람을 통해 수소를 얻는 그린수소에
더 주목해야 할 때가 온다. 그 중에서 햇빛을 이용하는 방법은 광전극을 따로 설치한 뒤 물을 분해해서
수소를 얻는 것인데, 현재는 효율이 좋지 않다. 그런데 이번에
이 햇빛을 사용하는 광전극의 효율을 더욱 높이는 방법이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국연구재단은 아주대 조인선 교수와 스탠포드대 한현수 박사 연구팀이 이중 정렬된 이종접합 광전극 구조를 제안, 단일 정렬된 기존 광전극 대비 4배 이상 높은 햇빛-수소 전환 효율을 갖는 광전극 구조를 개발했다고 밝혔다. 그 동안은
단일 광전극을 사용했는데, 빛의 흡수율에 한계가 있었고 전기 전도율도 낮아 수소 생산 효율을 향상시키는
데 큰 제한이 있었다. 이를 해결하기 위해 다양한 기술이 연구되었지만,
그 동안은 한계가 있었다.
대부분의 연구가 서로 다른 소재를 겹겹이 쌓는 이종접합에 집중되어 있었는데, 소재의
결정 구조를 고려하지 않은 채 무작위로 소재를 겹치곤 했다. 또한 막대와 같은 구조에 껍데기처럼 코팅하는
소위 ‘코어쉘 형태’로 적층하는 기술도 있었는데, 접합 부위와 표면에서 전하 분리 및 수송이 제대로 일어나지 않는 문제가 있었다. 이렇게 되면 수소 생산반응에 참가할 수 있는 전하의 숫자가 크게 줄어들고 효율이 낮아진다.
이번에 연구팀이 주목한 것은 바로 소재의 결정 구조에 따라 성질이 다르게 나타나는 ‘비등방성’이다. 소재에서
특정한 형태를 가진 표면이 노출되도록 한 뒤 이곳에 새로운 이중 정렬 이종접합 (Dual-textured-heterostructure)
구조를 넣었다. 즉, 위와 아래 층 모두 특정
면으로 정렬된 구조를 갖고 있으며 그 결과 접합면에서 전하 분리 및 수송이 활발하게 이루어졌다. 그렇게
되면서 수소 생산반응에 참가할 수 있는 전하의 숫자가 늘어났다.
이번에 이종접합 구조 디자인에 대한 새로운 연구가 이루어지면서 수소를 얻는 데 있어 새로운 기준이 제시되었다. 이 기술은 수소뿐만 아니라 에너지 생산 및 저장기술 소자 등에 광범위하게 응용하는 것도 가능하다. 다만, 상용화를 위해서는 도핑 농도, 열처리 조건 최적화, 전극 안정성 향상 등이 필요한 만큼 추가 연구를
지속할 것이라고 한다. 이번 연구의 성과는 화학공학 분야 국제학술지
‘케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal)’에 공개되었다.
글 | 유일한 기자