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NEW 박은덕 교수팀, 청정수소 생산 활용 광전기화학적 수소 전하 전달 메커니즘 규명
- 2025-01-21
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우리 학교 박은덕 교수팀이 광전기화학적 수소 생산의 효율을 높일 수 있는 전하 전달 메커니즘을 규명하는데 성공했다. 태양광을 활용해 물로부터 수소를 만들어내는 차세대 그린 수소 생산 기술에 적용될 수 있을 전망이다.
박은덕 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과)는 광전기화학적 수소 생산 반응 중 전하 전달 메커니즘을 규명했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘n-CdS/p형 반도체 계면의 향상된 광전기화학적 활성 근원: 동종접합 또는 이종접합(Origin of Enhanced Photoelectrochemical Activity of the n-CdS/p-type Semiconductor Interface: Homojunction or Heterojunction)’이라는 제목으로 글로벌 학술지 <스몰(Small)> 1월호 내부 표지논문으로 선정됐다.
아주대 박은덕 교수와 한국과학기술연구원 수소연료전지연구센터 김진영 책임연구원이 교신저자로 참여했고, 아주대 채상윤 차세대에너지과학연구소 박사후연구원과 전민기 미국 캘리포니아대학(University of California) 박사후연구원이 제1저자로 함께 했다.
그린 수소는 에너지의 생산과 사용에 있어 탄소를 배출하지 않아, 차세대 청정 에너지로 주목받고 있다. 다양한 그린 수소 생산 기술 중 광전기화학전지는 태양광을 활용해 물에서 수소를 만들어 낼 수 있는 기술이다.
광전기화학전지는 반도체로 이루어져 있는 광전극과 상대전극으로 구성되어있는 화학반응전지 형태로 작동된다. 고효율의 수소 생산을 위해서는 광전극에서 광이 흡수되어 전하를 띄는 전자와 정공으로 전환되는 과정이 원활히 이루어져야 하며, 이 부분은 아직 해결되지 않은 과제로 남아있다.
아주대 연구팀은 기존에 수소 생산용 광전극으로 널리 활용되어 온 p형 반도체 황화구리인듐(CuInS₂)을 주목했다. 이 물질은 전자의 에너지 구조가 수소 생산에 적합한 특성을 가지고 있으나, 흡수된 광에 의해 생성된 전자와 정공이 충분히 분리되지 않고 재결합되면서 태양광-수소 전환 효율이 낮아진다는 점이 문제로 지적되어 왔다.
황화구리인듐(CuInS₂) 표면에 카드뮴 이온이 확산된 층을 보여주는 이미지
이러한 문제점을 해결하기 위해 연구팀은 n형 반도체와 p형 반도체가 만나는 계면에 대한 더 자세한 분석을 시도했다. 기존에는 두 반도체가 p-n 접합 구조를 이루었을 때 형성되는 에너지 띠 굽음이 성능 향상의 주요 요인이라고 여겨져왔다. 하지만 연구팀은 황화카드뮴과 황화구리인듐 사이 계면에서 카드뮴 이온이 황화구리인듐으로 일부 확산되면서 새로운 층을 형성하는 것을 확인했다.
또한 기존 이론과는 다르게 광전극 성능을 향상시키는 핵심 요소는 p-n 접합 그 자체가 아니라, 카드뮴 이온이 확산되면서 형성된 중간층임을 밝혀냈다. 연구팀은 의도적으로 황화카드뮴을 배제하고 카드뮴 이온만 확산된 층을 광전극에 도입, 기존에 알려진 광전극보다 더 높은 수소 생산 활성을 달성할 수 있었다.
박은덕 교수는 “광전기화학전지는 차세대 그린 수소 생산 기술로 주목받고 있지만 낮은 태양광-수소 전환 효율로 상업화에 어려움을 겪어왔다”며 “때문에 태양광이 수소로 전환되는 과정을 체계적으로 이해해 성능을 향상시키는 것이 시급했던 상황”이라고 설명했다.
이어 “이번 연구를 통해 기존에 알려져 있던 이론을 수정하고, 더 정확하게 규명해냈다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “앞으로 다양한 반도체 물질을 이용한 수소 생산용 광전기화학전지에 적용될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
*표지 이미지 제공- Wiley