GIST 연구팀, 구리+니켈 이종 구조 광음극 박막 제작
단일층 박막보다 전류 생산 1.5배···실용화 조건 장시간 안정성 갖춰

국내 연구진이 수소를 오랜 시간 안정적으로 생산하는 새로운 방법을 찾았다. GIST(총장 김기선)는 이상한 교수 연구팀이 광전극의 내구성을 높이는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다. 

광전기화학전지 시스템에 있는 광전극은 태양광을 활용해 물(H₂O)을 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분해한다. 그중 수소를 생산하는 광음극의 박막 재료는 구리 화합물이다. 

구리 화합물로 박막을 만들 때는 박막의 결정화를 위해 후열처리를 한다. 이때 박막 내에 전하 흐름을 방해하는 구조적 결함이 발생할 확률이 높다. 광음극 표면에 보호 코팅 또는 비싼 촉매가 사용되는 이유다. 이런 단점을 해결하려면 광전극 박막의 품질을 높일 박막 증착 공정이 필요하다.
 
GIST 연구팀은 물리적 증착 방법인 '펄스드 레이저 증착법'으로 두 종류 결정이 접합된 고밀도 '이종 구조' 광음극 박막을 제작했다. 여기서 사용된 결정은 구리 비스무스 산화물과 니켈 산화물이다.

펄스드 레이저 증착 공정을 이용해 내구성 있는 물 분해 광음극을 만드는 모식도. 오른쪽 하단 원은 이종 구조 광음극 박막을 구성하는 구리 비스무스 산화물과 니켈 산화물의 결정 구조를 나타낸다. <그림=GIST 제공>
펄스드 레이저 증착 공정을 이용해 내구성 있는 물 분해 광음극을 만드는 모식도. 오른쪽 하단 원은 이종 구조 광음극 박막을 구성하는 구리 비스무스 산화물과 니켈 산화물의 결정 구조를 나타낸다. <그림=GIST 제공>
이종 구조 광음극 박막은 태양광이 광전극에 닿았을 때 단위 면적당 발생하는 전류가 높았다. 광전류 밀도는 단일층 광음극보다 1.5배 높았고, 8시간 이상 안정적으로 유지됐다. 기존 공정으로 만든 구리 산화물 광음극의 안정성 평가 시간(2~3시간) 보다도 약 3배 이상 길다.

이상한 교수는 "광전기화학전지를 통한 수소 생산을 실용화하려면 광전극의 장시간 안정성이  필요하다"며 "이번 연구에서 적용한 펄스드 레이저 증착법과 같은 물리적 기상 증착법을 이용하면 내구성 있는 광전극을 만들 수 있고 광전극의 안정성도 높일 것으로 기대된다"고 말했다.

연구 결과는 9월 9일 케미컬커뮤니케이션즈(Chemical Communications)에 실렸다.

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