[한국기술뉴스] 온실가스 발생 없이 태양 빛으로 물에서 수소 생산이 가능한 광전극. 이러한 광전극의 내구성을 높일 수 있는 생체모방형 하이드로젤 보호 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 문주호 교수(연세대학교 신소재공학과, 제1저자 탄제완 박사), 이형석 교수(연세대학교 기계공학과, 제1저자 강병준) 연구팀이 광전극의 구조 손상을 방지하고 구동 시간을 획기적으로 증가시킬 수 있는 신개념 하이드로젤 기반 보호 기술을 개발했다고 밝혔다.

광전극을 활용한 물 분해 기술은 그린 수소를 생산할 수 있는 친환경 미래 기술로, 광전극의 효율을 높이려는 많은 시도가 이루어져왔으나 광전극의 부식, 표면 촉매의 탈착 등으로 인한 내구성 저하 문제는 여전히 실용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.

이에 연구팀은 해양 식물 표피층의‘하이드로젤’ 보호막이 내부 세포 손상을 억제한다는 것에 주목, 물 속에서 작동하는 광전극의 표면을 이와 유사하게 설계하여 하이드로젤 보호막을 사용하면 광전극의 구동 시간이 획기적으로 증가함을 입증하였다.

즉, 하이드로젤의 기계적/구조적 특성 최적화를 통해 장시간 구동이 가능한 보호막 조건을 도출하여 광전극 구동시간을 향상시키는데 기여했다. 또한, 하이드로젤의 나노그물망이 광전극의 부식과 표면 촉매의 탈착을 동시에 억제함으로써 내구성을 높일 수 있음을 밝혔다.

문주호 교수는 “광전극의 부식과 표면 촉매 탈착을 동시에 억제하며 다양한 광전극에 적용 가능한 저가 하이드로젤 보호 기술을 최초로 제시했다는 데에 의의”가 있다고 전했다.

또한, 이형석 교수는 “나노그물망 형태의 하이드로젤 보호막이 광전극의 수소 생산에 미치는 영향을 규명하고, 보호막의 최적화를 통해 전극 수명을 연장시켰다는 것에 의의가 있다”고 덧붙였다.

다만, 그린 수소 생산의 실용화를 위해서는 시스템의 반영구적 구동이 필수적이므로 광전극 및 하이드로젤의 특성 최적화에 대한 추가 연구가 필요하다는 설명이다.

이번 성과는 광전극의 효율을 유지하면서 내구성을 크게 증가시킬 수 있는 원천 기술을 개발한 것으로, 광전극 종류와 무관하게 적용 가능하며 또한, 광전극의 내구성 저하 메커니즘 규명과 구동시간 향상 방법을 원리적으로 제시하고 있어, 향후 반영구적 그린수소 생산 시스템 개발에 실마리를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구, 나노소재기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 6월 10일(한국시간) 온라인 게재되었다.