울산과학기술원(UNIST)은 금속 황화물 광전극의 부식 문제를 해결해 태양광 수소 생산 기술 상용화를 앞당길 수 있는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

장지욱·장성연 에너지화학공학과 교수팀은 부식을 차단한 금속 황화물 양자점 기반 태양광 수소 생산 광전극을 선보였다.

태양광 수소 생산은 물속에 담긴 광전극에 햇빛을 쪼여 물을 수소와 산소로 분해하는 기술이다. 광전극의 반도체 물질층이 빛을 받아 만든 전하 입자가 물 분해 전기화학 반응을 일으켜 수소를 생산하는 원리다.

고성능 소재인 금속 황화물은 물에 잠긴 채 햇빛을 받으면 산화·분해되는 문제가 있었다. 이를 막으려면 금속 황화물 대신 분해되는 고가의 희생제를 꾸준히 투입해야 해 경제성을 떨어뜨렸다.

연구팀은 니켈과 필드 합금 금속 두 종류로 황화물 표면을 감싸는 방식으로 희생제 없이도 뛰어난 내구성을 갖춘 광전극을 만들었다.

양자점 표면을 감싼 니켈 호일은 물리적 보호막을 형성하고, 액체 금속인 필드 금속은 니켈 호일과 양자점 사이 미세한 틈새를 밀봉해 수분 침투를 원천 차단했다. 니켈 호일은 물 분해 반응을 돕는 촉매 역할도 해 효율을 높였다.

연구팀은 장시간 햇빛 노출 시 광전극 내부로 침투한 자외선이 전자 전달층과 반응해 광전극을 노화시킨다는 사실을 새롭게 밝혀내고, 이를 예방할 역 적층 구조를 광전극에 적용했다.

자외선을 잘 흡수하는 황화물 반도체층이 빛을 먼저 맞도록 광전극 내부 적층 순서를 바꿔 자외선에 취약한 내부 전자전달층이 직접 자외선에 노출되지 않도록 했다.

개발된 광전극은 희생제가 없는 일반 수용액 환경에서도 세계 최고 수준인 18.6 mA/㎝²의 광전류 밀도를 기록했으며 24시간 연속 운전 후에도 초기 성능의 약 90%를 유지했다. 자외선 차단 설계가 적용된 역 적층 광전극은 100시간 넘게 성능 저하 없이 작동했다.

연구팀은 "금속 황화물은 태양광 수소 생산 성능 측면에서 가장 이상적인 소재임에도 부식을 막기 위해 값비싼 희생제를 지속 투입해야 하는 한계가 있었다"며 "이번 기술은 희생제 없이도 미국 에너지부(DOE)가 제시한 상용화 기준(20mA/㎝²)에 버금가는 효율을 내면서 내구성까지 확보해 차세대 수소 생산 기술 상용화를 앞당기는 발판이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구는 양화영, 무히불라 알 무바록(Muhibullah Al Mubarok), 김사랑, 이수호 연구원이 제1저자로 참여했으며 한국연구재단(NRF) 과제 및 과학 기술정보통신부 InnoCORE 프로그램 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 12월 11일 게재됐다.