울산과학기술원(UNIST)과 고려대학교 공동 연구팀이 태양광으로 수소를 생산하는 유기 광전극의 핵심 난제를 해결했다.

김진영 UNIST 탄소중립대학원 교수와 우한영 고려대 교수팀은 유기 광전극에 백금 촉매를 고르고 단단하게 부착할 수 있는 물질을 개발해 무기 광전극과 비견되는 성능을 지닌 장수명 유기 광전극을 만들었다고 26일 밝혔다.

태양광 수소 생산은 물속에 담긴 광전극에 햇빛을 쪼여 수소를 생산하는 기술이다. 광전극 표면에 발린 백금 촉매가 화학반응에 필요한 에너지를 낮춰주는 역할을 한다.

그러나 유기 광전극은 백금 촉매가 고르게 입혀지지 않거나 수소 생산 반응 도중 쉽게 떨어지는 문제가 있었다. 저렴한 생산 비용과 가볍고 유연하다는 장점에도 불구하고 상용화가 어려웠던 주된 원인이었다.

공동 연구팀은 자체 개발한 다기능성 특수 고분자(PNDI-NI)를 광활성층에 코팅해 이 문제를 해결했다. 이 특수 고분자는 소수성과 친수성을 모두 갖춰 백금 촉매가 표면에 고르게 형성될 수 있도록 돕는다. 특히 친수성 부분의 아이오딘 이온이 백금 입자를 표면에 조밀하고 단단하게 고정시켜 내구성 문제까지 잡았다.

실험 결과 이 기술을 적용한 유기 광전극은 중성 전해질 조건에서 17.69 mA ㎝?²의 광전류 밀도를 기록했으며, 외부 전압을 고려한 광전 변환 효율(ABPE)은 8.88%에 달했다. 유기 기반 광전극 가운데 세계 최고 수준으로, 일반적으로 효율이 더 뛰어난 것으로 알려진 무기 광전극과 유사한 성능이다.

공동 연구팀은 "특수 고분자 코팅부터 백금 촉매 형성까지 모두 용액 상태에서 진행할 수 있어 대면적 제작에 유리하고, 다양한 촉매 물질과 유기 광전극으로 확장할 수 있는 기술"이라며 "태양광 수소 생산의 산업 현장에 적용되는 데 필요한 기술적 토대를 마련했다"고 밝혔다.

이번 연구는 고려대 하정민·슈란 쉬(Shuran Xu), UNIST 김재형 석·박사 통합과정 연구원이 제1저자로 참여했으며 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)'에 1월 6일 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF) 지원으로 수행됐다.