레고 블록처럼 촉매를 쌓아올려 인공광합성의 효율을 높일 수 있는 기술이 개발됐습니다. 이 기술은 레고 블록을 조립하듯 사용하고자 하는 물질들을 원하는 만큼 표면상에 쌓을 수 있다고 하는데요. 향후 다양한 분야에 적용될 것으로 기대됩니다.
UNIST 에너지 및 화학공학부 류정기 교수 연구팀은 '다층박막적층 기법'을 이용해 물속에서 인공광합성 촉매를 결합하는 기술을 개발했습니다. 이 방법은 저렴한 촉매를 이용하며 공정방식이 간단하고 전극의 손상을 방지할 수 있습니다.
본래 인공광합성은 자연의 광합성 시스템을 모방해 물과 이산화탄소로부터 수소, 탄소화합물 등 친환경적이고 부가가치가 높은 원료를 생산하는 기술입니다. 태양광과 전해액, 반도체 광전극만 있으면 친환경적인 에너지를 만들 수 있고. 특히 수소를 생산할 수 있어 차세대 에너지 생성기술로 주목받고 있습니다.
그런데 문제는 광전극의 낮은 효율성에 있었습니다. 지금까지 광전극의 효율을 개선하기 위해 시도된 방법들은 백금, 이리듐 등의 촉매물질을 사용하는 것이었습니다. 그러나 이 물질들은 고가인데다 투입량을 조절하는 것이 어렵다는 문제점이 있었습니다.
또한, 촉매를 적용하는 과정에서 고온·고압의 진공장비 활용이 필수적이었고 장비 활용에 따른 광전극의 손상도 발생했습니다. 그리고 지금까지의 연구들은 수소 혹은 산소 생성 중 하나의 효율만 높이는데 집중했는데, 이 경우 외부 전압이 가해지거나 희생제를 추가로 사용해야 한다는 한계점이 있었습니다.
연구팀은 다중박막적층(Layer-by-Layer)기법을 사용해 촉매를 집적시켰습니다. 그리고 촉매가 집적된 광전극의 경우, 추가적인 전압 없이 가시광선 영역의 빛만으로도 효율적이고 안정적인 반응을 보였습니다.
연구팀은 상온의 물에 양의 전하를 갖는 고분자 물질 '폴리에틸렌이민(PEI)'과 음의 전하를 갖는 저렴한 물 분해 촉매 '폴리옥소메탈레이트(POM)'를 각각 녹였습니다. 이후 광전극을 갖는 물질이 녹아있는 수조에 번갈아 담그며 촉매를 쌓았습니다. 즉, 광전극 위에 양의 전하(+)를 띠는 물질과 음의 전하(-)를 띠는 물질을 서로 순서대로 쌓는 방법을 이용해 자석이 서로 끌어당기듯 물질들이 서로를 끌어당기며 쌓이도록 했습니다.
이렇게 형성된 '촉매 다중층(Catalytic Multilayer)'은 광전극의 효율과 안정성을 동시에 확보할 수 있습니다. 연구팀은 산소 생성을 위한 광양극(BiVO4)에 10개 층과 수소 생성을 위한 광음극(Cu2O)에 15개 층의 촉매를 쌓아 실험을 진행한 결과 이들 전극은 촉매가 없는 광전극에 비해 효율이 약 10배 높아졌습니다.
이에 연구팀은 이번 연구 결과를 바탕으로 최적의 촉매와 그 두께를 찾아 인공광합성 효율을 높이기 위한 연구를 계속 해 나갈 계획이라고 밝혔습니다. 류정기 교수는 "이번에 개발된 '촉매층형성법'은 촉매의 종류나 양을 원하는 형태와 두께로 쉽고 간편하게 형성할 수 있는 기술"이라며 "물에 담그기만 하면 되는 간단한 공정을 거치기 때문에 기존에 진공장비 사용으로 인해 발생하던 전극 손상문제도 방지할 수 있다"고 밝혔습니다. 이번 연구는 화학 분야의 저명한 국제학술지인 <Green Chemistry>에 표지 논문으로 게재됐습니다.
