GIST공동연구팀, 물속에서 작동하는 고효율 태양광 수소 생산 기술 개발

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국내 연구진이 태양빛과 물만으로 탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있는 차세대 광전극 기술을 개발하며 친환경 수소경제 상용화에 한 걸음 더 다가섰다.

광주과학기술원(GIST) 고등광기술연구원 이창열 수석연구원과 성균관대 김정규 교수, 전남대 김태훈 교수 공동 연구팀은 물속에서도 안정적으로 작동하는 고효율 '양자점 복합 광전극'을 개발했다고 7일 밝혔다.

이번 기술은 태양광과 물을 이용해 수소를 생산하는 '태양광 수소 생산' 분야의 핵심 난제로 꼽혀온 효율성과 안정성 문제를 동시에 해결한 것이 특징이다.

기존 산화텅스텐 광전극은 수중 안정성은 높지만 광전환 효율이 낮았고, 고효율 소재인 페로브스카이트 양자점은 물과 빛에 쉽게 분해되는 한계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 페로브스카이트 양자점을 약 0.7나노미터 두께의 초박막 실리카(SiO2) 보호층으로 감싼 '핵-껍질' 구조를 설계했다. 이 구조는 수분과 전해질 침투를 차단하면서도 전하 이동은 유지해 안정성과 전기적 성능을 동시에 확보했다.

특히 보호층은 단순 방수 기능을 넘어 양자점과 산화텅스텐 사이의 내부 전기장을 강화해 전하 재결합을 줄이고 전자 이동 효율을 높였다. 이를 통해 물 분해 반응 성능이 크게 향상됐다.

실제 성능 평가 결과, 새롭게 개발한 복합 광전극은 기존 산화텅스텐 대비 약 2.2배 높은 광전류를 기록했으며, 12시간 연속 작동에서도 성능 저하 없이 높은 안정성을 유지했다.

수소 생산 실험에서도 높은 효율을 입증했다. 표준 태양광 조건에서 수소와 산소 생성 효율이 크게 향상됐으며, 패러데이 효율은 85.5%를 기록해 투입 전기의 대부분이 실제 수소 생산에 활용된 것으로 나타났다.

이번 연구는 물속에서 활용이 어려웠던 페로브스카이트 양자점을 실제 광전기화학 수소 생산 시스템에 성공적으로 적용한 첫 사례로 평가된다.

이창열 GIST 수석연구원은 "수중 환경에서 불안정했던 양자점 소재를 실제 물 분해 시스템에 적용하면서 전하 이동과 계면 구조를 동시에 개선한 최초 사례"라며 "고성능 태양광 수소 생산 소재 개발의 새로운 방향을 제시했다"고 설명했다. 김정규 성균관대 교수는 "양자점 활용 범위를 기존 태양전지와 발광소자에서 수소 생산 등 에너지 변환 분야로 확장한 의미 있는 성과"라고 평가했다.

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