햇빛 이용한 수소 생산 광소자 효율 7배 높였다
KIST 손동익 박사 "광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산에 기여"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 햇빛을 받아 물에서 수소를 생산하는 광전기화학소자의 효율을 7배 높일 수 있는 기술을 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 6일 연세대 화학생명공학부 박종혁 교수팀과 함께 산화아연(ZnO) 양자점(quantum dot)을 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)으로 코팅, 광전기화학소자 효율과 안정성을 획기적으로 높였다고 밝혔다.
이 연구 결과는 국제저널 '나노 에너지(Nano Energy, 2월 14일자)에 게재됐다.

친환경 에너지인 태양광을 이용해 에너지 효율이 높고 연료전지를 이용해 전기에너지로 쉽게 전환할 수 있는 수소를 생산하는 광전기화학소재 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다.
그러나 현재 광전기화학소자는 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인해 경제성 확보가 어렵고, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 다른 부가적 화학반응이 발생, 장기적으로 안정성이 좋지 않아 시장성 확보가 어려운 상태이다.
연구진은 광전기화학소자에서 태양광을 흡수해 전자와 정공(양전하를 가진 전자와 같은 거동을 하는 가상 입자)을 형성하는 광양극(photoanode)으로 쓰이는 산화아연 양자점을 탄소나노소재인 그래핀 양자점이나 풀러렌으로 코팅해 효율과 안정성을 획기적으로 높였다.
산화아연 양자점이 전해질과 접촉할 때 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 하는 등 전하 전달 효율이 떨어지는 문제를 그래핀 양자점 또는 풀러렌 코팅으로 방지한 것이다.
탄소 원자가 6각형 벌집구조으로 결합한 2차원 소재인 그래핀이나 탄소 60개가 축구공 같은 구조를 이루는 풀러렌이 산화아연을 둘러싸 핵-껍질 구조를 이루면서 산화아연 표면의 산소와 결합, 산화아연이 광부식되는 것을 막아준다.
연구진은 또 그래핀 양자점이나 풀러렌 껍질이 전하들의 이동 통로 역할을 해 전하 이동 효율을 대폭 향상, 같은 면적과 두께의 순수한 산화아연 양자점 소자보다 효율이 7배 이상 개선되고 안정성도 크게 향상됐다고 설명했다.
손동익 박사는 "핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성해 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것"이라고 말했다.

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