극소량 도핑된 단일 소재 전극으로 고효율·저비용 수소 생산 전망

어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈' 게재

아주대학교(총장 박형주)는 서형탁 신소재공학과·대학원 에너지시스템학과 교수 연구팀이 수소 연료 생산을 위한 물 분해 광전극을 단일 소재를 이용해 개발하는 데 성공했다고 13일 밝혔다. 무공해 방식으로 수소 연료를 생산할 수 있는 저비용 고효율 광전극으로 활용될 수 있을 것으로 보인다.

서형탁 교수는 단일 소재 기반의 고효율 태양광 물 분해 신소재 광전극을 개발했다. 관련 내용은 '이상적인 도핑과 일함수 조절을 통한 {002}면으로 정렬된 1차원 텅스텐 산화물의 태양광 물 분해 개선 효과(Enhanced solar water splitting of an ideally doped and work function tuned {002} oriented one-dimensional WO3 with nanoscale surface charge mapping insights)'라는 논문으로 촉매 분야 국제 학술지 '어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)' 5월 6일자 온라인판에 게재됐다. 칼라누르 샨카라(Shankara Kalanur) 아주대 교수(신소재공학과)가 제1저자로 함께 참여했다.

서형탁 교수팀은 기존에 널리 연구되어 왔으나 효율 향상 한계에 봉착했던 텅스텐 산화물(WO3) 광전극에 주목했다. 서 교수팀은 다른 소재를 추가한 이종 적층 구조를 쓰지 않고 단일 소재에 소량(1.14%)의 이트리움(Y)을 '도핑'할 경우 1차원 텅스텐 산화물 나노로드의 결정 방향이 광화학적으로 활성이 높은 {002}면에 대하여 정렬된다는 점을 발견해 냈다. 연구진은 최적 도핑 농도 및 공정 확보를 위해 수십 가지 경우의 불순물 농도를 검증, 최적 조건을 찾아냈다.

연구팀은 최적 조건으로 이트리움(Y)이 도핑된 텅스텐 산화물(WO3)에서 광전류가 200% 가량 대폭 향상되며, 촉매에 흡수된 빛에 의한 광전류의 수소 전환 효율은 95%에 이른다는 점을 확인했다. 그 밖에도 극소량의 도핑으로도 저항 감소, 전자구조 변화, 표면일함수 변화 등 다양한 물리·화학적 특성이 달라질 수 있음을 확인했다.

서형탁 교수는 "저가의 텅스텐 산화물에 극소량의 불순물 도핑을 통해 고효율 단일소재 기반의 나노구조 광전극 제조에 성공한 사례"라며 "이를 통해 최고 수준의 전환 효율로 수소를 생산할 수 있음을 확인했고, 앞으로 안정성을 더욱 개선해 실용화를 목표로 연구를 이어 가겠다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 기초연구지원사업(기본)의 지원과 해외우수신진인력지원사업의 지원으로 수행됐다.