전기에너지를 이용해 물을 화학연료인 수소로 변환할 수 있는 고효율 백금-구리 투명전극을 개발돼 화제다. 전기연구원 하윤철 박사는 SLP 사업의 공동연구기관인 미국 듀크대학교의 ‘구리 나노선 투명전극 기술’을 에너지 분야에 적용하는 연구를 수행하던 중 전기에너지를 이용해 물을 화학연료인 수소로 변환할 수 있는 고효율 백금-구리 투명전극을 개발, 그 과정에서 구리 나노선의 성장이 전기화학적 반응 메커니즘에 의한 것이라는 가설을 제안하고 이를 증명할 수 있는 실험방법을 제시함으로써 구리 나노선 성장의 원리를 세계 최초로 규명했다. 또한 이러한 나노선 성장 메커니즘을 응용하여 나노선의 길이를 마음대로 제어하거나, 길이를 최대로 만드는 새로운 공정을 개발, 차세대 유연 투명전극용 나노선 기술의 혁신에 기여한 점을 높이 평가받았다. <편집자>
광전기 물분해 기술은 햇빛을 수소, 즉 저장 가능한 비오염성 연료로 전환하는 기술로, 여기에 사용되는 광전기화학 장치에는 물분해 전극이 염료 등 광전극에 전기적으로 연결되므로, 태양전지와 전기분해장치가 별도로 구성되는 시스템에 비해 경제적이다.
그림 1. 개발된 구리-백금 코어-쉘 나노선의 암시야 현미경(A, B) 및 전자현미경 분석
광전기화학 장치의 구성에 있어서 고려할 점은 물분해 촉매전극이 광전극으로 향하는 빛을 차단하지 않아야 하는데, 이러한 고효율 투명 촉매전극에 대한 연구는 아직까지 주목받지 못했다. 광전기화학 장치의 실용화에 있어서 걸림돌 중 하나로 ITO를 투명전도체로 사용해야 하는 문제가 있다. 산업적 측면에서 광전기화학 장치는 화석연료와의 경쟁력을 고려할 때 단위 평방미터당 약 30달러 이내이어야 하는데, ITO 필름의 가격만으로도 평방미터당 30달러를 넘는 상황이다. 또한 ITO는 그 고유한 기계적 취성 문제와 물분해 시에 가해지는 환원 전위 조건에서 전도도와 투명도가 나빠지는 문제가 있다.
구리 나노선 투명전극은 구리의 부존량이 인듐의 1,000배, 가격은 1백분의 1 수준이므로 백금과 같은 귀금속 촉매의 전도성 지지체로 활용이 가능한데, 현재까지는 연료전지용 산소 환원이나 수소 산화 등에 백금 도포 구리 나노선이 연구된 적은 있으나 투명 전도성 전기촉매로는 활용되지 못했다. 새롭게 개발된 기술은 구리 나노선 위에 백금을 전기도금한 구리-백금 코어-쉘 나노선의 제조 공정과 이 전극을 수소 발생 반응의 투명 전도성 전기촉매전극으로 시연한 세계 최초의 기술이다.
이 전극은 일반적으로 수소 발생 전극으로 사용되는 백금 나노입자가 도포된 탄소 전극에 비해 약 8배의 전기촉매 특성을 나타냈다(그림 2 A~C). 여기에 사용된 전기도금법은 표면처리 중 구리가 녹아나지 않으므로 구리의 전기전도성을 유지할 수 있으므로 Nafion 등 추가적인 전도성 코팅이나 지지체가 필요하지 않는 장점이 있다. 구리-백금 투명전극은 불투명한 백금 금속전극과 비교해도 동일한 전류밀도값에서 구리-백금 투명전극은 75%의 투명도를 나타냈다(그림 2 D).
그림 2. 구리-백금 투명 촉매전극의 물분해 수소 제조 특성 비교
또한 구리-백금 나노선 전극은 광전기촉매 장치나 염료감응 태양전지 등에 사용되고 있는 고가의 인듐주석산화물(ITO) 투명전극을 대체할 수 있다.
또한 잘 깨지는 ITO와는 달리 구리-백금 투명전극은 휘어져도 전기전도도를 유지할 수 있으며(그림 3 왼쪽), 물분해 시 발생하는 환원 조건에서도 동일한 투명도를 유지할 뿐만 아니라 300~1800 nm의 넓은 빛의 파장 대역에 대해 80% 이상의 높은 투명도를 나타냈다(그림 3 오른쪽).
그림 3. 구리-백금 투명 촉매전극과 ITO 투명전극의 특성 비교
참고 그림 1. 물분해 수소 발생용 투명 촉매전극 시연
참고 그림 2. LED를 밝히는 구리 나노선 투명전극
참고문헌
Optically transparent hydrogen evolution catalysts made from networks of copper-platinum core-shell nanowires (Energy & Environmental Science 2014, vol. 7, pp. 1461-1467)
하윤철 박사 전기연구원
