실내 조명 빛을 활용해 청정 수소를 생산하는 '인공 나뭇잎'이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 전 세계 전력 소비의 19%를 차지하는 조명 전력을 재활용할 수 있다는 점에서 주목된다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 장지현 교수팀이 광전극과 수소 생산 촉매를 결합한 인공 나뭇잎을 개발하는 데 성공했다고 19일 밝혔다. 이 장치는 외부 전압 없이 실내 조명만으로 작동한다는 것이 핵심이다.

인공 나뭇잎의 핵심 소재는 황화물(CdS) 기반 광전극이다. 황화물은 햇빛보다 밝기가 약한 실내 조명을 효과적으로 흡수해 전하 입자를 생성한다.

생성된 전하 입자는 이산화티타늄(TiO₂)층을 통해 수소 생산 촉매층으로 전달되고, 촉매층 표면에서 물과 반응해 수소를 만들어낸다.

황화물 소재는 강한 빛에 노출될 경우 광부식 현상이 발생하는 단점이 있다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 황화물과 이산화티타늄을 접합한 전극 구조를 설계했다. 이 구조는 전하 입자의 재결합 손실을 방지하고, 황화물 표면에 인산염(Pi)을 코팅해 내구성과 효율을 동시에 높였다.

성능 측면에서도 주목할 만한 결과가 나왔다. 개발된 인공 나뭇잎은 실내 조명 아래에서 119~120마이크로암페어(μA/㎝²)의 광전류를 기록했으며 12시간 경과 후에도 초기 성능의 94%를 유지했다. 이는 고가의 백금(Pt) 촉매를 사용했을 때의 수치(121 μA/㎝²)와 유사한 수준이다.

수소 생산 촉매로 사용된 3차원 니켈(3D-Ni)은 가격이 저렴하고 잉크처럼 인쇄가 가능해 상용화에 적합하다. 연구팀은 85㎝² 크기의 인공 나뭇잎 4개를 직렬 연결한 대형 모듈도 제작했으며 이 모듈은 실내 조명 아래에서 총 5밀리암페어(mA)의 광전류를 기록했다.

장지현 교수는 "실내 조명은 날씨에 민감한 태양광과 달리 꾸준하다는 장점이 있다"며 "앞으로 수소 분리·회수 기술을 보완해 나갈 계획"이라고 설명했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environmental and Energy)'에 지난달 16일 온라인 공개됐으며 정식 출판을 앞두고 있다.