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태양광 기반 ‘하이브리드 실리콘 광촉매’ 개발…수소 및 고부가화합물 동시 생산
기존 실리콘 광촉매 대비 수소 생산 효율 약 28배

[인더스트리뉴스 최용구 기자] ‘무독성 저가 실리콘 광촉매’가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 연구진은 해당 광촉매 기법을 통해 수소 및 고부가화합물을 동시에 생산하는 하이브리드 기능을 구현했다.

UNIST 에너지화학공학과 류정기 교수팀과 POSTECH 화학과 박수진 교수팀은 태양광 기반의 하이브리드 실리콘 광촉매를 개발했다고 3일 밝혔다. 

태양광 수소 기술은 청정 수소 생산의 대안으로 여겨진다. 핵심은 광전극이다. 광전극을 통한 전기화학적 반응은 전체 수소생산 시스템의 효율과 경제성을 결정한다. 

학계는 물을 수소와 산소로 분리하는 다양한 광촉매 기법을 제시하고 있다. 실리콘 광촉매는 가시광선을 흡수할 수 있기 때문에 태양광의 활용도가 높다. 생산 과정에서 유해 화학물을 배출하지 않아 ‘무독성’ 및 ‘친환경’ 광촉매로 주목받고 있다.

하이브리드 실리콘 광촉매 생산 매커니즘 [자료=UNIST]

다만 실리콘 광촉매는 반응 중 형성되는 산화층으로 인해 장시간 지속이 어렵다. 오랜 시간 반응시킬 경우 수소 생산 효율이 낮아진다.

연구팀은 실리콘 광촉매 표면에 니켈이 도핑된 그래핀 퀀텀닷을 2~3nm의 두께로 균일하게 코팅했다. 표면 개질을 통해 높은 수소 생산 효율과 안정성을 확보했다.

표면이 개질된 하이브리드 실리콘 광촉매는 기존 실리콘 광촉매 대비 약 28배 높은 수소 생산 효율(14.2 mmol g-1 h-1)을 보였다.

산화 반응에선 물 대신 ‘생물유기체’인 바이오매스를 활용했다. 그 결과, 생성된 고부가화합물은 98%의 원형을 유지하며 안전성을 높였다.

류정기 교수는 “개발된 무독성 저가 실리콘 광촉매는 고효율의 수소뿐만 아니라 방향족 화합물의 생산도 가능하다”며, “새로운 태양광 촉매 시스템을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 밝혔다.

박수진 교수는 “니켈 도핑된 그래핀 퀀텀닷으로의 표면 개질은 실리콘 광촉매뿐만 아니라 다양한 광촉매에 활용이 가능한 부분”이라면서, “에너지 응용 분야에 새로운 활용법을 제시한 경제적인 기술”이라고 설명했다.

이번 연구 결과는 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 ‘Solar Biomass Reforming and Hydrogen Production with Earth-Abundant Si-Based Photocatalysts’이란 주제로 지난 7월 27일 공개됐다.

[최용구 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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