부산대학교는 화학교육과 이택호 교수팀이 한·영 국제공동연구를 통해 유기 고분자로 전극을 개발해 태양광을 이용한 수소 생산효율을 향상시키는 데 성공했다고 12일 밝혔다.

이번 연구에서는 빛을 받아 산화 반응을 일으키는 광산화전극에 고분자층을 도입해 빛에 의해 생성된 전하가 오랫동안 유지될 수 있음을 확인했다.

이 고분자층이 도입된 유기 광산화전극은 광전기화학 성능이 향상됐으며, 특히 근적외선 영역까지 포함한 넓은 범위의 태양광을 이용해 그린수소를 효율적으로 생산할 수 있게 됐다. 연구팀은 유기 반도체를 사용함으로써 기존에는 제한됐던 자외선 영역 이외의 넓은 영역에서도 빛을 흡수할 수 있었다.

광전기화학은 광활성 소재로 만든 전극에 빛을 가해 생성된 전하로 유도되는 화학 반응(산화/환원 반응)이다. 빛으로 물을 수소와 산소로 분해하는 게 대표적 예시다.

태양광으로 물 분해 반응을 유도하기 위해서는 빛에 의해 만들어진 전하가 반응에 참여할 때까지 '재조합'되지 않고 남아 있어야 한다. 여기서 재조합은 빛을 받아 생성된 전자(음전하를 갖는 소립자)가 안정화돼 다시 정공(전자의 빈자리로, 양전하 역할을 하는 가상의 입자)의 자리로 돌아오는 현상이다.

따라서 태양광을 이용한 수소 생산을 효율적으로 하기 위해서는 장(長)수명 광전하를 획득할 수 있는 전략이 필수적으로 수립돼야 한다.

이번 연구에서는 유기 반도체의 짧은 전하 재조합 시간을 극복하고자 고분자층을 추가로 도입해 정공을 광활성층으로부터 공간적으로 분리해 정공의 수명을 나노초 단위에서 수 초 단위로 획기적으로 연장했다.

또 기존에 광전기화학 소재로 쓰인 금속산화물은 자외선 영역의 빛 흡수에 제한됐으나, 유기 반도체를 이용함으로써 근적외선 영역까지 넓은 범위의 빛 흡수가 가능하게 됐다. 이에 따라 개발된 광전기화학 소자에서 넓은 영역의 빛을 이용해 효율적인 수소 생산을 구현해냈다.

이번 연구는 금속산화물로 제한돼 있던 광전기화학 반응을 위한 소재를 유기 반도체로 확장한 것에 의의가 있다. 광전하가 오래 살 수 있는 소자 설계 전략을 제시함으로써, 향후 태양광을 이용한 그린수소 생산을 효율적으로 할 수 있는 대면적 소자 상용화가 가능할 것으로 기대된다.

이택호 교수는 "이번 연구에서 유기 반도체가 그린수소 생산의 핵심소재로 부상할 가능성을 보였다"며 "이는 광전기화학 분야의 영역을 넓히는 연구가 될 수 있으며, 앞으로 유기 고분자 소재 디자인을 통해 전해질과의 상호 작용을 증대시켜 더 높은 수소 생산 효율을 내다볼 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 부산대 이택호 교수가 제1저자 겸 교신저자로, 영국 임페리얼 컬리지 런던(Imperial College London)의 제임스 듀란트(James Durrant) 교수팀과 공동으로 수행해 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 6월 19일 자에 게재됐다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터지원사업 지원을 받았다.

논문 제목은 '고분자층을 도입한 유기 벌크이종접합 광산화전극 내 장수명 광전하로 인한 광전기화학 성능 향상(Long-Lived Charges in Y6:PM6 Bulk-Heterojunction Photoanodes with a Polymer Overlayer Improve Photoelectrocatalytic Performance)'이다.