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KBSI-인천대, 태양광으로 고효율 수소 생산하는 광촉매 개발

입력 : 2020.09.15 17:20

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[헬로티]


한국기초과학지원연구원(이하 KBSI) 소재분석연구부 김해진 박사 연구팀이 주도하는 국제공동연구팀이 태양광을 이용해 수소를 고효율로 생산하는 생체고분자 기반 광촉매 개발에 성공했다.


이 광촉매는 매우 안정적인 상태를 유지하면서, 태양광으로 물을 분해하는 친환경적인 방법으로 수소를 생산하는 것이 가능하다.


태양광만으로 물을 분해하여 수소를 생산하는 광촉매 기반 수소 생산 방법은 그동안 생산 효율이 저조하고 광안정성도 매우 낮다는 단점으로 인해, 실제 산업적 활용을 위해서는 이 두 가지 한계를 극복할 수 있는 광촉매 개발이 시급히 요구됐다.


공동연구팀이 이번에 개발한 광촉매 1g을 이용하면 시간 당 48.5mL의 수소 기체를 생산할 수 있다. 이는 기존의 반도체(ZnS) 촉매 대비 최대 220% 증가된 것으로, 연구팀은 ‘생체고분자/반도체’의 계면을 정확하게 분석하고 그 특성을 제어함으로써 생산효율을 극대화할 수 있었다.


또한, 24시간 동안 빛에 노출된 후에도 약 78%의 수소 생산 효율을 유지하는 광안정성을 보였다. 촉매가 빛에 노출되면 구조적 변형이 일어나고 기능이 저하되는데, 이러한 빛에 의한 변형을 견뎌내고 기능을 유지하는 정도를 ‘광안정성’이라 한다.


본래 황화물 기반 반도체는 매우 낮은 광안정성을 갖지만, 생체고분자 물질인 폴리도파민과 접합하여 수소생산효율과 광안정성이 동시에  개선될 수 있음을 시사한다.


▲생체고분자-반도체 접합구조체를 이용한 고효율 전하-정공 분리 및 태양광 기반 수소 발생 광촉매 응용 모식도

▲생체고분자-반도체 광촉매의 전자현미경(a,d,e) 및 EELS(전자손실분광) 분석(b,c)을 통한 밴드 갭 에너지 분석


이번 국제공동연구에는 한국기초과학지원연구원을 중심으로 인천대학교와 폴란드 ‘아담 미츠키에비츠 대학교(AMU)’, 스페인 ‘바르셀로나 대학’이 참여했다.


KBSI 연구팀은 새로운 광촉매 소재의 전자현미경 분석, 표면 특성 분석, 이론계산 등을 수행했으며, 인천대학교, AMU 연구팀 및 바로셀로나 대학은 광촉매 소재를 제작해 광전기화학적 특성을 분석하고, 광촉매의 실제 수소 생산 능력을 평가했다.


인천대 김연호 교수는 “이번에 개발된 광촉매의 핵심은 생체고분자인 폴리도파민 코팅으로서, 황화아연(ZnS)뿐 아니라 다른 종류의 나노소재·광촉매 등에도 응용이 가능”하다며, “향후 후속연구를 통해 보다 효과적인 광촉매 발굴로 이어질 수 있는 원천연구라는 점에서 중요한 의미를 갖는다”고 밝혔다.


이번 국제공동연구를 주도한 KBSI 김해진 책임연구원은 “이번 연구는 수소 생성이란 하나의 연구 목적을 위해 서로 다른 분야에 사용되던 소재를 융합하여 새로운 가능성을 제시한 것”이라고 설명했다.

/조상록 기자(mandt@hellot.net)

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