▲ 화학 증기 기상법을 활용하여 두께가 조절된 MoS2 박막 촉매의 사진 및 대면적 합성을 통한 P형 실리콘 위에 전사하여 형성된 물 분해 광전극 사진.

국내 연구진이 태양광을 이용해 물에서 수소에너지를 효율적으로 생산하는 데 필요한 혁신적인 촉매기술을 개발했다.

서울대 공대(학장 이건우)는 지난 19일 장호원 재료공학부 교수 연구팀(박사과정 권기창, 최석훈)과 김수영 중앙대 화학신소재공학부 교수 연구팀이 공동으로 화학 증기 기상법( CVD)을 이용한 2차원 몰리브덴이황화물(MoS2) 박막 합성과 이를 이용한 수소생산 촉매 기술을 개발했다고 밝혔다.

최근 태양광으로부터 P형 실리콘 광전극을 활용한 수소에너지 생산 연구가 주목 받고 있다.
제조공정이 잘 규격화 됐고, 낮은 가격과 가시광 영역대의 태양광 흡수할 수 있어 물 분해 수소에너지 생산에서 광전극으로 각광받고 있기 때문이다.

그러나 P형 실리콘 광전극은 낮은 광안정성과 높은 과전압으로 인해 물 분해 효율이 높지 않은 단점과 백금 같은 귀금속 촉매의 높은 가격 때문에 새로운 촉매 개발이 시급했다.

이에 연구팀은 저렴히 사용할 수 있는 MoS2의 균일하고 대면적으로 합석하는 박막기술을 개발하고 이를 P형 실리콘 광전극에 입혔다.

가시광선으로부터 만들어진 전자와 정공쌍이 만들어낸 전자를 MoS2 박막 촉매로 전달해 수소생산에 사용하고 정공은 외부 회로를 따라서 상대전극인 백금전극으로 전달하여 산소생산에 사용하는 것이다.

그 결과 P형 실리콘 광전극 대비 동일 전압 하에서 20배 이상의 높은 광전류값을 얻을 수 있었다. P형 실리콘 광전극에서는 구동 시간이 약 4시간에 불과한 데 반해, MoS2 박막 촉매를 활용할 경우 50시간 구동 후에도 광전류가 95% 이상 유지되는 높은 광안정성 특성을 구현했다.

서울대 재료공학부 장호원 교수는 "이번에 개발한 균일하고 대면적의 MoS2 박막 촉매가 귀금속 촉매를 대체할 가능성을 확인하는 좋은 기회가 됐다"며, "향후 더 다양한 전이금속 이황화물촉매 박막을 연구해 태양광을 이용한 고효율 수소 에너지 발생 장치 개발에 더욱 힘쓸 것"이라고 밝혔다.

한편, 해당 연구는 삼성 미래기술육성사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야의 세계적인 학술지인 '에너지 앤 인바이러먼털 사이언스(Energy & Environmental Science)'에 3월 31일자 온라인에 게재되었으며, 우수성을 인정받아 정식 게재호의 표지 논문으로 출판될 예정이다

▲ 서울대 재료공학부 장호원 교수 연구팀과 중앙대 화학신소재공학부 김수영 교수 연구팀 (左부터 장호원 교수, 김수영 교수, 서울대 재료공학부 박사과정 권기창, 최석훈).