실내조명에 효율적인 광전극과 3차원 니켈촉매 결합
조명 전력 재활용해 청정 에너지 생산

(왼쪽부터) UNIST 장지현 교수, 강지훈 박사(제1저자), 윤기용 박사, 경승규 연구원, 바라지 굴레 박사. UNIST 제공

식물이 햇빛을 받아 에너지를 만드는 것처럼 실내조명 빛을 받아 수소를 생산하는 ‘인공 나뭇잎’이 개발됐다. 전 세계 전력 소비의 19%를 차지하는 조명 전력을 재활용해 청정 수소를 수확할 수 있는 길이 열리게 됐다.

UNIST 에너지화학공학과 장지현 교수팀은 효율적인 광전극과 수소 생산 촉매를 결합해 LED 조명하에서 수소를 생산하는 인공 나뭇잎을 개발했다고 19일 밝혔다.

인공 나뭇잎에서 가장 중요한 것은 엽록소 역할을 하는 광전극이다. 식물 엽록소처럼 빛을 받아 전하 입자를 만든다.

연구팀이 개발한 광전극은 햇빛보다 밝기가 약한 실내조명을 잘 흡수해 전하 입자를 만드는 황화물(CdS) 소재로 이뤄져 있다. 생산된 전하 입자는 이산화티타늄(TiO₂)층을 거쳐 뒷면의 수소 생산 촉매층으로 전달되고, 수소 생산 촉매층인 ‘3차원 니켈(3D-Ni)’ 표면에서 이 전하 입자와 물이 반응해 수소가 나온다.

그림 설명. 연구팀이 개발한 실내조명용 수소 생산 인공 나뭇잎의 구조와 성능. (상단) 인공 나뭇잎을 이루는 광전극의 구조와 전하 전달 경로. 실내 조명을 받으면 황화물(CdS/TiO₂) 광전극에서 전하(전자, 정공)가 생성되고, 전자는 FTO 기판과 이산화티타늄 층을 거쳐 3차원 니켈(3D-Ni) 촉매로 전달된다. 전달된 전자는 니켈 촉매 표면에서 수소 발생 반응(HER)을 일으킨다. (하단 좌측) 수소 발생 촉매와 광전극이 연결된 인공 나뭇잎. (하단 우측) 실내조명을 쪼였을 때 약 119 μA/cm²의 광전류를 기록함. UNIST 제공

황화물은 강한 빛에 노출되면 ‘광부식’ 현상이 일어나는데, 약한 실내 조명은 이를 최소화할 수 있다.

연구팀은 빛이 약해 줄어든 전하 입자량을 보완하기 위해 황화물에 이산화티타늄이 접합된 전극 구조를 설계했다. 이 접합 구조는 양전하 입자와 음전하 입자가 재결합해 사라지는 것을 막아 한정된 전하를 재결합 손실 없이 온전히 수소 생산에 쓰게 만든다. 또 황화물 표면에 ‘인산염(Pi)’을 코팅함으로써 황화물의 광부식은 막고 전하 이동 속도는 높여, 내구성과 효율을 동시에 잡았다.

개발된 인공 나뭇잎은 외부 전압을 걸어주지 않아도 실내조명만으로 119~120 마이크로암페어(µA/cm²)의 광전류를 기록했으며, 12시간 후에도 초기 성능의 94%를 유지했다. 이는 고가의 백금(Pt) 촉매를 사용했을 때(121 µA/cm²)와 유사한 수준이다. 광전류는 인공 나뭇잎의 수소 생산량을 가늠할 수 있는 지표다.

또 수소 생산 촉매인 3차원 니켈은 값싸고, 잉크처럼 찍어낼 수 있어 상용화에 필요한 크기로 쉽게 제작할 수 있다. 연구팀은 85cm² 인공 나뭇잎 4개를 직렬로 연결한 대형 모듈도 제작했으며, 이 모듈은 실내조명 아래에서 총 5밀리암페어(mA)의 광전류를 기록했다.

장지현 교수는 “실내조명은 날씨에 민감한 태양광과 달리 꾸준하다는 장점이 있다”며 “이번 연구로 실내에서 버려지던 빛을 수소 생산의 에너지원으로 활용할 수 있음을 확인한 만큼, 향후 수소 분리·회수 기술을 보완해 나갈 계획”이라고 설명했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environmental and Energy)’에 지난달 16일 온라인 공개돼 정식 출판을 앞두고 있다. 연구 수행은 ‘미세플라스틱 대응 화공·바이오 융합 공정 연구센터’의 ERC 과제와 중견연구과제, 이노코어사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

송현수 기자 songh@busan.com