백종범 교수 연구팀, 셀레늄 도입된 그래핀 촉매 안전성 입증

태양 빛을 이용해 식물이 광합성 하듯 전기를 생산하는 염료감응 태양전지의 새로운 전극물질이 개발됐다.

UNIST(울산과학기술원·총장 정무영)는 백종범 에너지및화학공학부 교수 연구팀이 그래핀에 셀레늄(Se) 원소가 도입된 새로운 그래핀(SeGnP)을 개발했다고 19일 밝혔다.

이 물질은 염료감응 태양전지의 상대 전극으로서 기존 백금 전극을 뛰어넘는 우수한 촉매 활성·안정성을 보였다. 

염료감응 태양전지는 색깔을 가진 염료들이 빛에 반응해 전기를 생산하는 형태의 태양전지로 투명 반도체 전극, 전해질, 상대전극으로 구성된다. 전해질로는 주로 코발트(Co)나 요오드(I)가 쓰이며 상대전극으로는 고가의 백금을 사용한다.

기계화학적 공정에 의한 셀레늄이 도입된 그래핀 제조 모식도.<사진=연구팀 제공>
기계화학적 공정에 의한 셀레늄이 도입된 그래핀 제조 모식도.<사진=연구팀 제공>
연구팀은 셀레늄 그래핀 개발 과정에서 탄소 기반 요오드 환원반응 메커니즘을 전기화학적 방법과 계산화학을 결합해 규명함과 동시에 탄소 소재가 요오드 전해질에서 우수한 촉매 특성을 나타내는 것을 입증했다.

개발한 셀레늄 그래핀을 염료감응 태양전지 전극에 적용했을 때 1000번 사용한 뒤에도 초기의 전기화학적 특성을 유지했다.

백종범 교수는 "지금까지 백금 촉매를 뛰어넘을 수 있는 탄소 기반 촉매 소재는 없었다"며 "셀레늄 그래핀은 코발트나 요오드 전해질에서 모두 백금을 능가하는 우수한 촉매 특성을 보여 염료감응 태양전지에 바로 적용할 수 있다"고 설명했다.

셀레늄 그래핀 개발은 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀의 단점을 보완한 새로운 연구로도 주목받고 있다.

그래핀은 탄소 원자들이 평평한 2차원 구조의 벌집 격자 모양을 이루는 물질로 물리적·화학적·전기적 성질이 뛰어나다. 하지만 탄소 원자만 있으면 너무 안정적이어서 전기화학적으로 활성화시키기 어렵다. 그래핀에 다른 원소를 도입해 전기화학적 활성을 높이는 연구가 진행돼 왔다.

백 교수는 "이종원소 중 하나인 셀레늄을 그래핀에 도입하면 새로운 특성을 지닌 그래핀 제조가 가능하다는 점을 확인했다"며 "다양한 분야에서 그래핀을 상용화하는 계기가 될 것"이라 말했다.

이번 논문은 자연과학 분야 권위지인 '사이언스 어드밴스'(Science Advances) 17일자 온라인판에 게재됐다.

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