화학뉴스

울산과학기술원(UNIST)은 광전극에 햇볕을 쪼여 친환경적으로 과산화수소를 생산하는 기술을 개발했다고 12월15일 발표했다.
UNIST 에너지화학공학과 장지욱 교수 연구팀은 페로브스카이트 기반 과산화수소 생산 광전극 시스템을 개발했다.
과산화수소는 수소를 대체할 친환경 에너지 자원으로도 꼽히고 있으나 대량 합성공정은 복잡하고 귀금속과 유기물질을 사용해 코스트·안전 문제가 제기되고 있다. 대안으로 광전극 과산화수소 생산이 주목받고 있지만, 광 흡수 성능이 뛰어나면서도 오래 쓸 수 있는 광전극 개발에 어려움이 있었다.
연구팀이 개발한 시스템은 태양 에너지를 받아 물속에서 환원된 산소가 물과 반응해 과산화수소로 전환되는 원리로, 광전극 표면에서 반응이 나타난다.
태양광을 과산화수소로 바꾸는 효율은 최대 1.46%로 자연 광합성의 일반적 효율인 1%를 넘어서 세계 최고 효율을 기록했고, 특히 물에 약한 페로브스카이트를 사용했음에도 내구성이 좋은 장점이 있다.
페로브스카이트는 빛을 잘 흡수해 전하를 많이 만드는 장점이 있으나 물에 쉽게 분해된다.
연구팀은 액체 상태의 금속(필즈금속)으로 페로브스카이트, 시트 형태 산소환원 촉매 등을 같이 둘러싼 뒤 다시 굳히는 방식으로 광전극을 만들어 해결했다.
필즈금속은 녹는 온도가 63도로 매우 낮아 설계가 가능했으며, 페로브스카이트가 물과 직접적으로 접촉하는 것을 막는 동시에 페로브스카이트와 산소환원 촉매 사이를 단단하게 고정하는 역할도 수행한다.
본래 전기가 잘 통하는 금속의 특성으로 페로브스카이트가 빛을 받아 만든 전하가 전극 표면에 노출된 산소환원 촉매에 잘 전달되게 한다.
연구팀이 개발한 시스템은 외부 전압 도움 없이 자발적으로 과산화수소 생산 반응을 할 수 있으며, 광전극과 전압 균형을 맞추기 위해 물 산화촉매를 산소환원 촉매와 함께 사용했다.
장지욱 교수는 “성능이 뛰어나ㅏ 물에 취약한 페로브스카이트 기반 광촉매의 불안정성을 대폭 개선했다”며 “개발 시스템은 과산화수소를 비롯해 암모니아, 수소 등을 만드는 인공 광합성 기술에 활용할 수 있다”고 주장했다.
연구는 나노·미래소재 원천기술개발 과제와 신진연구과제 지원을 받아 수행했고, 연구 결과는 국제 학술지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 11월17일자에 공개됐다.