주요 연구성과
NEW 신소재 조인선 교수 공동연구팀, 그린 수소 생산 기술 개발
- 2023-05-09
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우리 학교 조인선 교수 공동 연구팀이 기존 광전극 대비 5배 이상 높은 태양광-수소 전환 효율을 갖는 새로운 광전극을 개발하는데 성공했다. 이 기술을 적용하면 차세대 신재생 에너지 중 가장 유망한 에너지원인 수소 에너지의 효율적 활용에 기여할 것으로 기대된다.
아주대 조인선 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 오른쪽)는 미국 스탠포드대학 샤올린 정(Xiaolin Zheng) 교수(기계공학과)팀과 함께 결정 재구조화 방법을 통해 기존 광전극 대비 5배 이상 높은 태양광-수소 전환 효율을 갖는 새로운 광전극을 개발했다고 밝혔다.
이번 연구는 'Mo:BiVO4 광전극의 결정 재구성: 효율적인 태양광 물 분해를 위한 향상된 전하수송 특성(Crystal Reconstruction of Mo:BiVO4: Improved Charge Transport for Efficient Solar Water Splitting)'이라는 제목으로 재료공학 분야 국제 학술지 <어드밴스드 펑셔널 매터리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19.924, JCR 상위 4.658 %)>에 게재됐다.
이번 연구에는 우리 학교 대학원 에너지시스템학과 석사과정 정유재 학생(사진 왼쪽)이 제1저자로 참여했다.
광전극을 이용하면 태양광으로 물을 분해하여 수소를 생산할 수 있다. 그러나 기존의 비스무스 바나데이트(BiVO4) 광전극 소재를 이용할 경우, 심각한 전자-정공 재결합이 발생하여 태양광-수소 전환 효율 향상이 제한적이었다.
이를 개선하기 위해 그동안 학계에서는 여러 방안을 연구·적용해왔다. 도핑, 조촉매 코팅, 이종 접합 기술 및 결함(Defect) 제어와 같은 방안으로 대부분은 나노구조 광전극을 이용했다. 그러나 이러한 방안들의 경우, 여러 단계의 합성 과정과 고온 및 진공 장비가 필요할 뿐만 아니라, 추후 소자 적용 시 물리적 안정성이 낮고 전기화학적 부식에도 취약하다는 단점이 있었다.
이에 아주대 공동 연구팀은 나노구조가 아니라 오히려 결정성이 좋고 크기가 큰 마이크로 구조에 주목했다. 벌크 광전극은 물리적 안정성이 높고 부식 저항성이 상대적으로 우수하다는 보고가 있기 때문. 하지만 이러한 벌크 구조를 가진 광전극을 간단히 대면적으로 합성하는 방법에 대한 선행 연구는 거의 없었다.
연구팀은 결정 재구조화(Crystal Reconstruction) 방법을 고안, 저렴한 용액 공정 기반 합성으로 여러 결정면이 표면으로 노출된 나노구조를 합성했다. 이러한 다결정면이 노출된 나노구조의 경우 표면에너지가 높고 열적불안정성이 커서 표면 재구조화에 매우 유리하다. 이에 연구팀은 표면에너지가 불안정해지는 원리를 이용하여 열에너지를 가해 표면을 재구성시키는 전략을 적용했다.
연구팀은 치밀하면서 큰 입계로 구성된 광전극을 이용하여 기존 대비 전하 이동 특성이 4배 이상(92%) 높은 광전류 값을 얻는데 성공했다. 또한 안정성 분석을 통해 광 부식에도 높은 저항성을 가짐을 확인했다.
연구에 참여한 정유재 학생은 “저온에서 합성 가능하며 대면적 합성에도 적용이 가능하기 때문에 추후 다양한 에너지 소재 분야에서 활용될 것으로 생각된다"고 설명했다.
이어 “학부 후배들이 학부 연구생으로서 설계 과목에 참여하여 연구 과정에 많은 도움을 주고 있다”며 "연구에 흥미가 있는 학부생들이라면, 적극적으로 교수님들과 상의하여 연구에 참여해보고 더 깊은 공부를 통해 폭넓게 진로를 탐색해보았으면 한다”고 조언했다.
<결정재구성 전략 및 향상된 전하 수송/수집 특성 모식도>
(위) 결정 재구성 과정 (왼쪽아래) 전하 수송 특성 (오른쪽아래) 전하 수송특성 비교 (나노 구조체 vs 큰 입계 구조)