UNIST 장지현 교수팀, 새로운 광전극 기술로 태양광 수소 생산 효율 대폭 개선… 태양광 수소전환 효율 3.2배 향상

UNIST 연구팀이 녹슨 철을 이용해 고효율 수소를 생산하는 기술을 선보였다. 태양광을 이용해 물을 분해하는 방식으로 수소 생산 효율을 기존보다 3.2배 높였다. 일상에서 더 저렴하고 친환경적인 에너지를 사용할 수 있게 할 전망이다.

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UNIST(총장 이용훈)의 에너지화학공학과 장지현 교수팀은 전기적 특성이 우수한 산화철을 사용한 광전극을 이용해 친환경 수소 생산 시스템을 개발했다. 수소 생산은 주로 화석연료에 의존하고 있어 환경에 부담을 준다. 그러나 산화철 광전극을 통해 친환경 수소 생산이 가능해지면, 상업화도 빨라질 것으로 기대된다.

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산화철은 그동안 전기적 성능이 부족해 수소 생산 효율이 낮았다. 물을 분해하는 면적이 좁고, 전자 이동 거리가 길어 상업화가 어려웠다. 이를 개선하기 위해 연구팀은 산화철의 구조적 특성에 주목했다.

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게르마늄(Ge), 티타늄(Ti), 주석(Sn)을 함께 섞어 산화철의 전기적 특성을 개선하고, 열을 이용해 다공성 구조를 만들어 반응 면적을 넓히고 전자 이동 거리를 줄였다. 이를 통해 산화철의 단점을 극복하고 물 분해 효율을 높였다.

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이 과정을 통해 평균 직경 10nm 이하의 다공성 산화철 전극을 제작했다. 태양광을 이용한 수소 전환 효율을 3.2배 높였으며, 100시간 동안 효율 저하 없이 지속 사용이 가능하다. 장기간 안정적인 수소 생산을 가능하게 하여 상업화에 한 발 더 다가설 수 있게 했다.

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장지현 교수는 “수소 생산 효율을 크게 높이는 동시에 상업화를 위한 중요한 기술적 진전을 이루어냈다”며, “그린수소 생산의 상업화를 앞당기고, 다양한 반도체 시스템에 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.

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이번 연구 성과는 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’에 6월 3일자로 공개됐다. 연구에는 박주형 박사후연구원이 제1저자로 참여했으며, 한국연구재단의 중견연구과제와 ERC 미세플라스틱 대응 화공/바이오 융합 공정 연구센터 과제 지원으로 이뤄졌다.

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(논문명: Morphology-Engineered Hematite Photoanode for Photoelectrochemical Water Splitting)