합성이 쉬운 물질로 형성되어 효율성, 가격 경쟁력 겸비
이번 연구 결과는 미국화학회에서 발행하는 권위있는 저널 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)에 게재됐으며 미래창조과학부가 추진하는 인공광합성센터(소장 윤경병)와 산업자원부의 지원으로 나오게 됐다.
UNIST는 에너지 및 화학공학부의 이재성 교수팀이 햇빛을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 인공나뭇잎을 개발했다고 밝혔다. 이 장치는 태양전지와 광촉매가 하나로 묶인 ‘단일 구조체’로, 효율이 획기적으로 향상돼 기존 인공나뭇잎을 다음 세대로 진보시킨 형태이다.
인공나뭇잎은 식물의 광합성과 동일하게 물을 수소와 산소로 분해해 수소를 얻는다. 이에 대한 개념은 2011년 하버드대 다니엘 노세라 교수가 발표한바 있지만, 당시에는 실리콘 태양전지 삼중접합을 이용한 형태에 대한 제안이었다.
이 교수팀은 값이 저렴하고 안정적이며 친환경적인 ‘비스무스 바나데이트 산화물(BiVO₄)’을 광촉매로 사용했다. 또한 여기에 두 종류의 원소를 도핑(doping)하고 코발트를 조촉매로 도입해 성능을 증가시켰다. 광촉매는 햇빛을 흡수하는 역할은 주로 담당하고 페로브스카이트 태양전지는 보조전지로 붙게 된다.
김진현 UNIST 파견연구원은 “이번에 연구한 인공나뭇잎은 광촉매 전극 1개와 태양전지 1개를 이용하는 이중 접합구조이며 이 때문에 제작단가를 내리기 수월했으며, 광촉매를 이루는 각각의 소자 역시 다른 물질보다 저렴하고 합성이 쉬운 물질로 구성돼 가격적인 측면의 경쟁력을 가지고 있다”고 설명했다.
이러한 제작과정으로 만들어진 인공나뭇잎은 각 요소가 선 없이 연결된 단일 구조체이다. 이는 자연계에서 식물의 광합성과 가장 가까운 형태이다. 뿐만 아니라 태양광 전환효율은 5%로 기존 인공나뭇잎(3%)보다 효율성이 상승됐다.
이재성 교수는 “인공나뭇잎으로 수소를 생산하는 기술이 현실화 되려면 효율성을 포함, 가격 경쟁력 또한 있어야 하며, 일반적으로 실용화를 위한 효율은 10% 정도로 전망되는데, 이번 연구가 중요한 전환점을 마련하게 된 계기”라고 전했다. [시사포커스 / 오무진 기자]
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