물 속에서 햇빛 받아 수소 만드는 2세대 ‘인공 나뭇잎’ 나왔다

2015.12.15 19:00
식물은 햇빛을 받아 물을 수소와 산소로 분해한다. 이런 식물의 광합성 원리를 본따 수소를 얻는 ‘인공나뭇잎’을 국내 연구진이 한 단계 더 발전시켰다.
 
이재성 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수팀은 태양전지와 광촉매를 하나로 묶어 에너지 효율을 높인 인공나뭇잎을 개발했다고 15일 밝혔다. 이 인공나뭇잎은 2011년 미국 하버드대 연구진이 개발한 1세대 인공나뭇잎보다 수소 전환 효율이 높을 뿐만 아니라 구조적으로도 개선됐다.
 
인공나뭇잎은 태양빛을 흡수하는 반도체 광촉매 물질을 물과 접촉시켜 수소를 생산한다. 식물과 달리 온도나 습도 등에 영향을 받지 않고, 금속 산화물 같은 무기물로 구성돼 있어 빛과 물만 있으면 언제든 작동 가능하다.                                                                     
  
연구팀은 광촉매로 ‘비스무스 바나데이트’를 사용했다. 비스무스 바나데이트는 기존 인공나뭇잎에 사용된 광촉매보다 값이 싸고 넓은 영역의 빛을 흡수할 수 있으면서도 안정하다. 
 
이런 장점 대신에 비스무스 바나데이트는 전기 전도도가 낮아 수소 전환 효율이 떨어진다는 단점이 있는데, 연구팀은 이를 ‘도핑’과 보조 촉매 ‘코발트 카보네이트’로 보완했다. 도핑은 의도적으로 반도체에 불순물을 섞어 전자와 전공 수를 늘리는 것을 말한다. 
  
그 결과 2세대 인공나뭇잎은 수소 전환 효율이 기존의 3%에서 5%로, 67%가량 향상된 것으로 나타났다.
 
구조적인 개선도 이뤘다. 실제 식물이 하나의 구조체로 에너지를 흡수하고 저장하는 것처럼 인공나뭇잎도 각 구성 요소가 별도의 선 없이 연결될 수 있도록 설계한 것이다. 또 3개였던 접합 부위도 2개로 줄였다.
 
또 보조 전지로 기존의 실리콘 태양전지보다 상대적으로 저렴한 페로브스카이트 태양전지를 사용해 경제성까지 갖췄다.
 
이 교수는 “인공나뭇잎으로 수소를 생산하는 기술이 실현되려면 수소 전환 효율과 가격 경쟁력이 모두 달성돼야 한다”며 “실용화를 위해 필요한 최소 효율을 10% 정도로 보고 있는데 이번 연구가 중요한 전환점을 마련한 것”이라고 말했다.
 
 

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