KAIST(총장 신성철)는 오지훈 EEWS 대학원 교수 연구팀이 빛을 이용해 이산화탄소를 분해하기 위한 금 나노 다공성 박막과 실리콘 기반의 새로운 광전극 구조를 개발했다고 23일 밝혔다.

광전기화학적 이산화탄소 변환은 태양광 에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 연료로 바꿔주는 기술로 많은 주목을 받고 있다.

안정적인 이산화탄소를 환원시키기 위해 낮은 과전압을 지닌 우수한 촉매가 필요하다. 그중 금은 이산화탄소를 일산화탄소로 환원시키는 전기 촉매로 알려져 있다.

하지만 금은 과전압이 비교적 높고 일산화탄소 생산성이 낮아 수소가 많이 발생하는 문제점이 있다. 가격도 비싸다.

연구팀은 문제 해결을 위해 나노 다공성 구조를 갖는 금 박막을 제작하는데 성공했다. 금을 박막 형태로 기판 재료에 증착해 양극산화 처리한 뒤 연속적인 환원 처리를 통해 제작했다.

금 박막은 480mV(밀리볼트) 과전압에서 90% 이상 이산화탄소 환원에 사용되는 높은 전류 효율을 보였다. 그동안 사용되던 나노구조 촉매는 0.1mm의 두꺼운 호일이었다면, 연구팀이 개발한 박막은 약 5000배 정도 얇은 200나노미터 수준이다. 금 기반 촉매의 제작비용도 5000배 최소화했다.

연구팀은 이와 함께 직접 제작한 나노다공성 금 박막을 촉매로 활용하기 위해 새로운 실리콘 광전극 구조를 개발했다. 기존 방법인 나노 입자 형태로 반도체 표면에 촉매를 형성하면 전기화학적 처리 과정에서 기판 자체에 영향을 준다.

연구팀은 금 박막을 표면 전체에 연결될 수 있는 메쉬 패턴 구조로 제작해 광전극에 영향을 주지 않고도 독립적으로 표면 전극 접합을 통해 전기화학처리를 가능하게 했다.

제작된 광전극은 실리콘에서 생성된 광전압과 금 박막층의 높은 촉매 특성이 작용돼 기존의 일산화탄소 변환을 위해 필요한 에너지보다 더 낮은 양으로도 변환할 수 있다.

오지훈 교수는 "다양한 반도체와 촉매 재료도 쉽게 적용 가능한 플랫폼 역할을 할 수 있을 것"이라며 "다른 연구자들이 우리 연구팀의 구조를 적용해 이산화탄소 광전환의 광변환 효율을 향상시킬 수 있다"고 말했다.

한편 이번 연구는 정성윤 EEWS 대학원 교수가 공동으로 참여했고 KCRC(한국이산화탄소 포집 및 처리 연구개발센터)의 지원을 받아 수행됐다. 송준태 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 에너지·소재 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'(Advanced Energy Materials)에 8일자 내면 표지 논문에 게재됐다.