조인선(신소재) 교수 연구팀이 태양광-수소 생산 효율을 4배 이상 높일 수 있는 새로운 이종 접합 구조를 개발했다. 이 구조는 수소발생반응에 유리한 표면을 반응에 참여하게 해 효율적인 생산을 가능케 한다. 이번 이종 접합 구조는 정유재(신소재·15) 동문이 학부생 시절부터 연구해 제1저자로 참여했고 조 교수와 미국 스탠포드대학교 연구팀이 함께 개발했다.
수소 에너지는 수소 형태로 에너지를 저장해 활용하는 에너지원이다. 활용 과정에서 온실가스 배출이 적고 장기간 저장과 운송이 용이해 친환경 탄소중립 사회로 나아가는 중요 자원으로 꼽힌다. 실제로 정부의 2050 탄소중립 추진전략을 보면 수소를 주요 에너지원으로 지목하고 있다. 하지만 이런 수소 에너지에도 문제가 있다. 지구상에서 수소가 순수한 형태로 존재하는 경우가 많지 않아 수소를 분리해내는 과정이 필요한데 이 과정이 친환경적이지 못하다는 것이다. 현재 대부분의 수소 생산은 천연가스에서 수소를 추출하는 개질 방식이 활용된다. 개질 방식은 천연가스의 주성분인 메탄을 고온의 수증기와 반응시켜 수소를 생산하는데 이 과정에서 많은 양의 온실가스가 배출된다. 수소경제 글로벌 CEO 협의체인 수소위원회는 2050년까지 수소 소비량이 5억4천6백만 톤에 이를 것으로 예상했다. 이는 전세계 에너지 수요의 20%를 대체할 수 있는 양으로 이 많은 수소를 개질 방식으로 생산하면 막대한 온실가스가 발생해 오히려 환경오염을 유발하는 또 다른 원인으로 전락할 수 있다.
이를 해결하기 위해 떠오르는 대안이 바로 광전극을 활용해 태양광으로 물을 분해시켜 수소를 얻는 태양광-수소 생산 기술이다. 이 기술을 통해 수소를 친환경적으로 생산할 수 있다. 하지만 여기에 사용되는 단일 광전극 소재는 표면 특성이 무작위해 효율적인 물 분해가 어렵다. 이로 인해 흡수율과 전기 전도도에 한계가 있었다. 조 교수가 개발한 이종접합 구조는 단일 광전극 소재를 대체할 수 있다. 이종접합 구조가 수소발생반응에 유리한 표면을 반응에 참여하게 해 4배 이상 효율적인 생산을 가능하게 한다. 이를 통해 전자 정공 재결합을 크게 줄여 전자를 효율적으로 수집한다. 조 교수는 “소재의 결정구조학적 배향에 따라 소재 성질이 다르게 나타나는 비등방성에 기반해 연구를 진행했다”고 밝혔다. 재료의 다양한 결정면은 서로 다른 원자 배열을 갖고 각각의 결정면은 서로 다른 전자구조 형태를 가진다. 수소 발생 반응에 유리한 결정면을 선택적으로 노출해 활용할 수 있는 비등방성을 이용하면 전하의 이동 특성이 우수할 뿐만 아니라 표면에서의 반응을 빠르게 유도하는 효과를 낼 수 있다. 여기에 더해 진공구조를 사용한 선행 연구들이 갖는 복잡한 공정도 개선했다. 우선 저렴하고 대면적 제조가 가능한 용액공정을 이용해 산화주석을 나노막대 형태로 성장시켰다. 다음으로는 비스무스 바나데이트 표면을 서로 다른 노출 결정면이 나타나도록 용액공정 변수를 조절함으로써 표면 촉매 특성도 향상시켰다. 이런 과정을 통해 위층과 아래층 모두 특정 배향으로 정렬된 이종 접합 구조 개발에 성공했다.
하지만 아직 상용화에는 한계가 있다. 지속적인 수소생산을 위해서는 소재의 장시간 안정성이 뒷받침돼야 하기 때문이다. 안정성이 확보되면 수소차 산업은 물론이고 수소 경제 전반이 진정한 친환경 경제로 전환하는 혁신적인 변화가 일어날 것으로 보인다. 조 교수는 “이번 연구는 에너지 생산 및 저장기술 소자 등에 광범위하게 응용될 수 있는 새로운 아이디어 제시에 의의가 있다”며 “표면제어 합성 방법은 다양한 산화물 합성 방법에도 응용될 수 있을 것으로 보인다”고 덧붙였다. 이어 조 교수는 “안정성 확보가 필요한 만큼 특성상향 및 장시간 구동을 위한 후속 연구를 진행할 계획이다”고 전했다.
한편 연구 결과는 '향상된 광전기화학 물 분해를 위한 이중 배향 비스무스 바나데이트/산화주석 이종접합(Dual textured BiVO4/Sb: SnO2 heterostructure for enhanced photoelectrochemical Water-splitting)' 이라는 제목의 논문으로 화학공학 국제 학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal IF=13.273 JCR 상위 2.45 %)’에 올해 5월 1일 게재됐다.
