▲ 류정기 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수

레고 블록처럼 촉매를 층층이 쌓아올려 촉매가 없었을 때보다 인공광합성의 효율을 약 10배이상 향상시키는 기술이 개발돼 다양한 활용이 기대되고 있다.

UNIST(총장 정무영)는 13일 에너지 및 화학공학부 류정기 교수 연구팀이 ‘다층박막적층(Layer-by-Layer) 기법’을 이용해 물속에서 인공광합성용 촉매를 결합하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

이 방법은 저렴한 촉매를 이용하는데다 공정 방식이 간단하고, 전극의 손상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

연구진은 광전극 위에 양의 전하(+)를 띠는 물질과 음의 전하(-)를 띠는 물질을 서로 순서대로 쌓는 다층박막적층 기법의 접목을 시도했다. 이 기법은 자석이 서로 끌어당기듯 물질들이 서로를 끌어당기며 쌓이는 원리를 기반으로 한다.

또한 상온의 물에 양의 전하를 갖는 고분자 물질 ‘폴리에틸렌이민(PEI)’과 음의 전하를 갖는 저렴한 물 분해 촉매 ‘폴리옥소메탈레이트(POM)’를 각각 녹였다. 이후 광전극을 각 물질이 녹아있는 수조에 번갈아 담그며 촉매를 쌓았다. 각 수조에 5분 정도 담그면 전극에 물질이 접착되는 방식이다.

이렇게 형성된 촉매 다중층(Catalytic Multilayer)은 광전극의 효율과 안정성을 동시에 확보할 수 있었다.

연구진이 산소 생성을 위한 광양극(BiVO₄)에 10개 층, 수소 생성을 위한 광음극(Cu₂O)에 15개 층의 촉매를 쌓아 실험을 진행한 결과 이들 전극은 촉매가 없는 광전극에 비해 효율이 약 10배 높아졌다.

류정기 교수는 “이번에 개발한 촉매층 형성법은 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 설명했다.

이번 연구 성과는 우수성을 인정받아 화학 분야에 저명한 국제학술지인 ‘그린 케미스트리(Green Chemistry)’ 최신판(8월13일자)에 표지 논문으로 게재됐다.

한편 이번 연구는 에너지공학과의 류정기 교수와 김현우, 배상현 석·박사통합과정 연구원이 함께 참여했다. 연구지원은 한국연구재단의 신진연구자지원 사업, 나노소재기술개발사업, 기후변화대응기술개발사업을 통해 이뤄졌다.