전남대, 이산화탄소 없는 ‘그린 수소’ 생산기술 개발

강순형 교수 연구팀 연구 '네이처 커뮤니케이션’ 온라인판 게재

▲강순형 교수, Kai Zhu 박사, Maheswari 박사. 제공=전남대학교

전남대학교 강순형 교수 연구팀이 이산화탄소의 발생 없이 수소를 생산할 수 있는 ‘그린수소’ 생산기술을 개발했다.

이 연구 결과는 세계적인 학술 전문지 ‘네이처 커뮤니케이션’(영향력 지수 16.6) 온라인판에 게재됐다.

전남대 강순형 교수(화학교육과) 공동연구팀은 ‘광전기화학적 수소 생산법’이 친환경적이며 생산 단가가 싸다는 장점이 있지만, 상용화 단계인 ‘수전해 기술’에 비해 효율이나 안정성이 낮다는 문제해결을 위해 비소화 갈륨(GaAs) 광전극의 표면 개질을 통해 강한 부식성을 제어함으로써, 고효율과 고안정성이라는 특성을 확보했다.

그럼에도 GaAs 광전극은 태양광의 거의 모든 영역의 빛을 흡수할 수 있는 대신, 태양광이 내리쬐는 수용액의 반응 조건에서는 빠르게 부식하는 문제를 안고 있었다.

이에 따라 연구팀은 광전극을 보호하면서 광전극과 전해질 사이의 전하 전달에 영향을 주지 않는 약한 결정성의 TiO2 표면 보호층을 도입했고, 조촉매와의 결합을 통해서 110시간 이상의 안정성 테스트도 마쳤다.

연구팀이 개발한 GaAs 광전극 기반 자가 구동 광전기화학적 물 분해 소자는 9.5% 태양광 수소 변환 효율을 달성했는데, 이는 실용화를 위한 변환 효율 10%에 근접한 수치다. 또한 10시간 이상 안정적으로 수소와 산소가 발생한다는 사실도 확인했다.

이 연구는 광전극 뿐만 아니라 표면층 제어 기술 실용화에도 중요한 기술 개발이라는 점에서 주목을 끌고 있다.

연구팀은 1,000시간 이상의 광안정성을 달성하기 위한 다양한 표면 제어 소재 및 기술을 연구하고 있으며, GaAs 광전극 소재를 기반으로 대면적 광전기화학 시스템의 개발을 통한 실용화를 위한 연구를 수행하고 있다.

이 연구는 전남대 강순형 교수가 주도하고, 미국 신재생에너지 연구소의 Kai Zhu 박사팀이 공동교신저자로 참여했다. 또 전남대 박사 후 과정에 있는 Dr. Maheswari Arunachalam 박사가 제1저자로 참여했다. 연구팀은 미국 신재생에너지 연구소와 지속적인 공동 연구를 수행하고 있다.

이 연구는 한국연구재단의 미래수소원천기술개발, 대학중점연구소지원사업 및 중견연구의 지원을 받았다.

*논문 원제

Reliable bi-functional nickel-phosphate/TiO2 integration enables stable n-GaAs photoanode for water oxidation under alkaline condition


광주=에너지경제신문 이정진 기자 leejj0537@ekn.kr