성균관대-KIST 연구팀, 태양광 이용 값싼 수소 생산기술 개발 … 가격·성능 두 마리 토끼 잡아

성균관대학교는 화학공학과 양우석 교수와 조새벽 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 손해정 박사 연구팀과 함께 저비용 니켈 화합물 촉매를 활용해 유기물 광흡수층(태양광을 흡수해 전자를 생성하는 역할을 하는 유기 재료로 구성된 반도체층) 소재 기반 최고 효율의 태양광 수소 생산 장치를 개발했다고 18일 밝혔다.

태양광을 이용한 수소 생산은 온실가스를 배출하지 않는 차세대 청정 에너지 기술로 각광받지만, 높은 제조 비용과 낮은 효율은 상용화를 가로막는 걸림돌이다. 특히 백금 같은 고가의 귀금속 촉매와 무기 반도체 기반 광흡수층은 소재비용을 증가시킨다.

이번 연구에서는 지구상에 풍부하고 저렴한 니켈 기반 촉매와 3성분계 유기물 광흡수층을 활용해 통합형 수소 생산 장치를 개발했다. 니켈 촉매는 셀레늄(Se)을 첨가해 수소 발생 반응의 활성점을 증가시키고 전하 이동을 개선했다. 유기물 광흡수층은 PM6, D18, L8-BO로 구성된 벌크 이종접합 구조를 적용해 고광전류와 충분한 광전압을 동시에 확보했다. 이 모든 소재를 단순한 구조의 소자에 통합해 무전해 조건에서 10% 이상의 태양광-수소 변환 효율을 달성했다.

양우석 교수는 "현재 고성능 태양광 수소 생산 소자는 너무 비싸고, 값이 싼 소자는 효율이 낮다"면서 "이번 연구는 니켈 기반 촉매 등을 이용해 가격과 성능, 두 마리 토끼를 잡았다. 청정 수소 생산 기술의 상용화에 중요한 마일스톤이 될 것"이라고 말했다. 손해정 박사는 "태양광에너지를 활용한 수소 생산은 앞으로 무탄소에너지원의 핵심기술이 될 것"이라고 부연했다.

이번 연구 결과는 에너지분야 국제학술지 '탄소 에너지(Carbon Energy)'에 지난 2일 게재됐다. 성균관대 양우석 교수, 조새벽 교수, KIST 손해정 박사가 교신저자, 성균관대 박재민 박사와 한국과학기술연구원 이진형 석사가 제1저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단의 개인 기초연구사업, 산업통상자원부의 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 이뤄졌다.