▲ 고가의 희생제 없이도 수소를 생산하는 금속 황화물 기반 광전극 / 산화 광전극은 황화물(PbS) 반도체 양자점을 액체 금속인 필드 메탈과 니켈 포일로 캡슐화한 형태다. 빛이 광전극에 닿으면 양자점 층에서 전하(양전하인 정공, 음전하인 전자)가 만들어진다. 이 가운데 정공은 필드 메탈을 거쳐 니켈 포일로 이동하고, 니켈 표면에서 물을 산소로 바꾸는 반응이 일어나 산소가 발생한다. 전자는 외부 회로를 따라 반대쪽 전극으로 이동해 물을 수소로 바꾸는 반응에 참여하며 수소가 생성된다. 좌측 하단의 에너지 준위 도식은 광전극 내 각 층이 전하를 어떤 방향으로 전달하는지를 보여준다. 필드 메탈과 니켈로 이루어진 캡슐화 구조는 물의 침투를 막으면서도, 전하가 각 층을 따라 자연스럽게 이동할 수 있는 통로를 제공한다.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

전기 없이 물과 햇빛만으로 수소를 생산하는 태양광 수소 기술의 최대 난제였던 광전극 부식 문제를 근본적으로 해결한 성과가 나왔다. 고가의 희생제(sacrificial agent)에 의존하지 않으면서도 고성능·장수명을 동시에 달성해, 태양광 수소 생산의 상용화를 크게 앞당길 기술로 평가된다.

UNIST는 에너지화학공학과 장지욱·장성연 교수 연구팀이 금속 황화물(황화납) 양자점 기반 태양광 수소 생산 광전극(Photoanode)을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 금속 황화물 광전극의 고질적 약점이던 수중 부식과 광열화를 동시에 차단하는 설계로, 장시간 안정 구동을 입증했다.

희생제 없이도 부식 차단... ‘이중 금속 보호’ 설계

태양광 수소 생산은 전해질에 담긴 광전극에 햇빛을 쪼여 물을 수소와 산소로 분해하는 방식이다. 이때 금속 황화물은 우수한 광흡수·전하 생성 성능을 지녔지만, 수중에서 빛을 받으면 산화·분해돼 왔다. 이를 막기 위해 기존에는 황화물을 대신 소모시키는 고가 희생제를 지속 투입해야 했고, 이는 경제성의 큰 장벽이었다.

연구팀은 니켈(Ni) 호일과 필드(FIELD) 합금 금속을 활용한 이중 보호 구조로 해법을 제시했다.

니켈 호일은 양자점 표면을 물리적으로 감싸 보호막을 형성하는 동시에 물 분해 촉매로 작용해 반응 효율을 높였다. 필드 금속(액체 금속)은 니켈 호일과 양자점 사이의 미세 틈새를 완전히 밀봉해 전해질 침투를 원천 차단했다. 이 설계로 희생제 없이도 수용액 환경에서 안정적인 수소 생산이 가능해졌다.

자외선 노화까지 차단... ‘역(逆) 적층’으로 수명 연장

연구팀은 장시간 운전 시 자외선(UV)이 전자전달층을 손상시켜 광전극 노화를 유발한다는 점을 규명하고, 이를 막는 역 적층 구조를 도입했다. 자외선을 잘 흡수하는 황화물 반도체층이 빛을 먼저 받도록 적층 순서를 바꿔, 자외선에 취약한 내부 전자전달층의 직접 노출을 차단했다. 그 결과, 장시간 조사에서도 성능 저하가 크게 억제됐다.

성능·내구성 모두 ‘세계 최고 수준’

개발된 광전극은 희생제 없는 일반 수용액(1.0 M NaOH) 조건에서 18.6 mA/cm²의 광전류 밀도를 기록했다. 이는 희생제를 사용하는 기존 황화물 광전극과 견줄 만한 최고 수준이다. 또한 24시간 연속 운전 후에도 초기 성능의 약 90%를 유지했으며, 역 적층 설계를 적용한 경우 100시간 이상 성능 저하 없이 안정 작동을 입증했다.

연구팀은 “금속 황화물은 성능 면에서 가장 이상적인 소재였지만, 희생제 의존이라는 한계가 있었다”며 “이번 성과는 미국 에너지부(DOE) 상용화 기준(20 mA/cm²)에 근접한 효율과 탁월한 내구성을 동시에 확보해, 차세대 태양광 수소 기술의 실용화를 앞당길 것”이라고 밝혔다.

이번 연구에는 양화영, 무히불라 알 무바록(Muhibullah Al Mubarok), 김사랑, 이수호 연구원이 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 네이처 포트폴리오의 국제학술지 Nature Communications에 지난달 11일 게재됐다.

논문명은 Stable and efficient PbS quantum dot photoelectrodes enable photoelectrochemical hydrogen production without sacrificial agents이다.