UNIST 연구팀, 고효율·고내구성 인공 광합성 모듈 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 인공 나뭇잎으로 그린 수소를 만들 수 있는 길이 성큼 다가왔다. 국내 연구팀이 인공 광합성 모듈을 개발했다. 태양에너지를 그린수소로 만들 수 있는 기술이다.

태양에너지를 수소로 직접 전환하는 인공 광합성 기술의 상용화 가능성을 크게 높인 연구 결과여서 주목된다. 고효율·장기 안정성·확장성을 모두 만족하는 인공 나뭇잎 모듈이다. 탄소 중립 실현을 위한 그린 수소 생산 기술에 큰 진전을 이뤘다는 평가를 받았다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 이재성·석상일·장지욱 교수팀은 고효율·고내구성·대면적 확장성(scalibility)을 모두 갖춘 ‘모듈형 인공 나뭇잎’을 개발했다고 23일 발표했다.

인공 나뭇잎 모듈이 태양광 시뮬레이터에서 나온 빛을 받고 있다. [사진=UNIST]

‘인공 나뭇잎’은 자연의 잎처럼 햇빛과 물만으로 수소를 생산하는 기술이다. 외부 전력을 따로 사용하지 않는다. 수소 생산 과정에서도 이산화탄소를 배출하지 않는 그린 수소 생산 방식이다.

기존 태양전지 기반 전기분해 방식(PV-EC)과 달리 전기 생산 단계를 생략하고 광에너지를 직접 화학에너지로 바꾸는 구조이다. 시스템 사이 저항에 의한 손실이 적고 설치 면적도 줄일 수 있다. 낮은 효율, 내구성과 그 규모를 키우는 확장성 문제로 상용화에 제약이 있었다.

연구팀은 페로브스카이트 기반의 태양광 흡수층과 니켈-철-코발트 촉매를 활용해 1㎠ 단위의 고효율 광전극을 제작했다. 이를 4×4 배열로 확장한 모듈형 인공 나뭇잎을 개발했다.

이 모듈은 별도 전원 없이도 태양광만으로 안정적 수소 생산이 가능하다. 모듈 전체 수준에서 태양광 수소 전환 효율(Solar to Hydrogen Efficiency, STH) 11.2%를 달성했다.

고효율 무배선 인공 나뭇잎. 태양에너지를 그린 수소로 만들 수 있다. [사진=UNIST]

이는 현재까지 보고된 인공 나뭇잎 중 최고 수준이다. 상용화에 필요한 10% 이상의 효율을 모듈 규모에서 달성했다는 점에서 눈길을 끈다.

연구팀은 고효율과 안정성을 확보한 이유로 염소를 첨가한 페로브스카이트 흡광층(Cl:FAPbI₃)과 자외선에 강한 전자수송층(Cl:SnO₂), 촉매층(NiFeCo)의 조합을 꼽았다. 전극의 수분 노출에 의한 손상을 막기 위해 특수 니켈 포일과 수지 봉지 기술을 적용해 140시간 연속 작동에서도 99%의 초기 성능을 유지할 수 있었다.

이재성 교수는 “이번 성과는 단순히 실험실에서의 고효율 수소 생산을 넘어 실제 현장에서 이용할 수 있는 수준의 모듈형 인공 광합성 장치로 상용화의 기준인 10% 이상의 효율을 달성했다는 점에서 의미가 크다”며 “태양전지 패널처럼 대면적 인공 나뭇잎 패널로 확장도 가능해 상업화를 위한 결정적 진전을 이뤘다”고 말했다.

이번 연구(논문명: Scalable and durable module-sized artificial leaf with a solar-to-hydrogen efficiency over 10%)는 국제학술지 ‘Nature Communications’ 올해 5월 6일 자로 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)

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