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물리학과 연구팀이 공간적 산소 결핍 제어를 이용해 광수소생산 효율을 최대 2배 가까이 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다.

광수소생산을 위한 광수전해 기술은 태양에너지를 이용해 물을 산소와 수소로 분리하는 기술이다. 탄소 배출 없이 친환경적으로 수소를 생산할 수 있어 탄소중립의 핵심기술 중 하나로 꼽히지만 수소 생산 효율이 낮아 연구·개발 단계에 있다.

여준엽 교수팀은 삼산화텅스텐(WO3) 나노물질에서 표면과 내부의 산소 결핍(oxygen vacancy) 농도가 다를 때 광수전해 효율이 달라지는 것을 발견하고, 레이저로 공간적 산소 결핍을 제어해 광수소생산 효율을 크게 향상시키는 기술을 개발했다. 이 연구 결과는 저명 국제학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머테리얼즈 (Advanced Functional Materials)’ 7월 5일 온라인판에 게재됐다. 교신저자는 여준엽 교수, 제 1저자는 공희정 박사과정생과 양해창 석사졸업생이다.

일반적으로 산소 결핍은 전이금속산화물반도체물질에서 점결함(물질 내부에 존재하는 작은 결함)으로 소자 성능을 저해하지만, 태양에너지를 이용해 수소를 생산하는 광전기화학 셀소자에서는 반대로 광수전해 효율을 증대할 수 있다고 알려져 있다. 그러나 아직 산소 결핍 분포의 정확한 역할에 대해 보고된 바 없으며, 특히 이를 공간적으로 제어하기 힘든 기술적 한계가 있다.

광수전해를 위한 광전기화학 셀소자는 기본적으로 태양에너지를 흡수해 이를 전자와 정공으로 바꾸고, 이후 생산된 광전자가 물과 만나 수소가 생산한다. 삼산화텅스텐은 태양에너지를 흡수해 정공을 생산하는 광양극(photo-annode)의 역할을 한다.
여 교수팀은 광양극 물질인 삼산화텅스텐 나노물질에서 표면과 내부의 산소 결핍 농도가 다를 때 광수전해 효율이 달라지는 것을 발견했다. 내부의 산소 결핍 농도보다 표면의 산소 결핍 농도가 높을 때 광수전해 효율이 더 높은 것을 확인하고, 레이저로 산소 결핍을 공간적으로 제어해 광수소생산 효율을 최대 2배 가까이 증대한 기술을 개발했다.

이번 연구를 주도한 공희정 박사과정생은 “매우 간단한 기술을 개발해 광수전해 효율을 높였다. 이번 연구가 향후 다종의 나노물질에 적용되어 태양에너지로부터 수소 생산을 하는 그린 수소 생산의 효율을 극대화하는데 큰 역할을 할 것이라고 기대한다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구사업 및 대학중점연구소지원사업의 지원으로 수행됐다.

<사진 왼쪽부터 여준엽 교수, 공희정 박사과정생, 양해창 석사졸업생>