고려대학교(총장 정진택) 공과대학 신소재공학과 이인환 교수팀이 고효율 그린 수소생산을 위한 삼원계 Au@CeO2/Gr 코어-쉘 광촉매 개발했다. 코어-쉘 구조란 중심에 존재하는 물질(코어)을 얇은 막(쉘)으로 둘러싼 구조를 말한다. 이인환 고려대 교수팀의 덩 반 다오(Dung van Dao) 연구교수가 주도한 이번 연구는 전북대 유연태 교수, 충남대 김현유 교수 연구팀과 공동으로 진행됐다.

지구온난화가 심각해지고 있는 상황에서 문제를 해결하고 녹색경제를 촉진하기 위한 방안으로 저렴하고 효율적인 수소 생산 기술개발이 요구된다. 수소의 종류는 생산방식에 따라 회색 수소, 청색 수소 및 녹색 수소로 나누어지며 물을 분해해 만드는 녹색 수소는 청정수소로서 친환경 에너지원이다. 녹색 수소는 물을 전기분해, 광전기화학분해 및 광촉매분해 방법으로 만들 수 있다. 광촉매분해는 외부에서 전기에너지를 공급하지 않으므로 시스템이 간단하고 오직 태양 에너지만으로 구동하기 때문에 청정수소를 생산하는 유망한 방법으로 주목받는다.

하지만 태양 에너지를 화학에너지인 수소 형태로 전환하는 광촉매분해 방법은 아직 효율이 낮아 경제성을 확보한 촉매 소재 개발은 매우 큰 도전과제다. 낮은 효율의 원인으로는 낮은 광흡수율과 빠른 운반자(반도제 내 전류의 흐름을 발생시키는 것으로 전자 혹은 정공)의 재결합 속도, 산화·환원반응 전위와 에너지밴드 위치가 정합하지 않기 때문이다.

광촉매는 주로 산화티타늄(TiO2), 산화철(Fe2O3) 및 산화세륨(CeO2) 기반의 산화물 반도체 소재를 사용하는데 그 이유는 저렴하고 수계에서 높은 안정성을 갖기 때문이다. 수계에 분산된 광촉매는 태양광에 의해 전자-정공쌍(electron-hole pair: EHP)을 발생시키고, 분리되어 물과 산화·환원반응을 통해 수소를 생산한다. 전자-전공쌍이란 반도체가 에너지를 받으면 전도대로 올라간 전자와 가전자대의 빈자리인 정공이 생성, 전자와 정공은 함께 생기고 함께 사라져 하나의 쌍을 이루는 것을 뜻한다.

따라서 광촉매의 핵심 조건은 ▲EHP 발생을 위해 태양광 스펙트럼을 효율적으로 흡수할 수 있는 밴드갭 (광흡수조건) ▲EHP의 재결합을 방지하고 효율적으로 분리되기 위한 구조(EHP 분리조건) ▲산화·환원반응을 위해 전도대(전자가 자유롭게 움질일 수 있는 에너지 영역)가 환원 전위보다 높고 가전자대(절대 0도에서 전자가 존재하는 가장 높은 에너지 영역)가 산화 전위보다 낮아야 한다는 것이다.

이인환 고려대 교수 연구팀은 이와 같은 광촉매의 요구 조건을 충실히 따라 혁신적이고 창의적인 물분해 광촉매 소재 구조를 이론적으로 설계하여 Au@CeO2로 구성된 코어-쉘을 사용하고 그 위에 그래핀 네트워크로 감싼 광촉매를 제조, 이를 사용하여 세계 최고 수준의 고효율 녹색 수소 발생률(8.1 μmol/mg·h)을 달성했다. 이 광촉매는 종래의 이원계 코어-쉘 광촉매와 달리 빛에너지로 생성된 뜨거운 운반자의 수명을 연장하여 수소생산 반응에 최대한 활용했다. 제작된 광촉매를 이용한 수소 발생은 Finite-difference time-domain(FDTD) 시뮬레이션으로 메커니즘을 입증했다. FDTD 시뮬레이션이란 나노 스케일의 반응을 해석하기 위한 분석 기술이다.

덩 반 다오 고려대 연구교수는 "이번 연구를 통해 고효율 수소생산을 위한 삼원계 Au@CeO2/Gr 광촉매를 개발했고, 이를 이용하여 빛 에너지에서 수소로 전환되는 삼원계 광촉매 시스템의 작동에 대한 깊은 통찰력을 얻을 수 있었다"고 연구의 의의를 말했다.

한국연구재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 소재 및 화학 분야 권위 학술지인 미국화학회지(ACS Nano, IF=15.881)에 온라인 게재됐다.