UNIST(울산과학기술원·총장 정무영)는 류정기 에너지 및 화학공학부 교수 연구팀이 다층박막적층(Layer-by-Layer) 기법을 이용해 물속에서 인공광합성용 촉매를 결합하는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

인공광합성은 자연의 광합성 시스템을 모방해 태양에너지를 유용한 자원으로 바꾸는 기술이다. 태양광과 전해액, 광전극만 있으면 친환경적인 에너지를 만들 수 있다. 특히 수소를 생산할 수 있어 차세대 에너지 생성 기술로 주목받고 있다.

문제는 광전극의 낮은 효율성이다. 광전극 효율 개선을 위해 백금 등 고가의 촉매 물질을 사용해야 했다. 물질의 종류나 양을 조절하기 어려웠다. 또 촉매를 적용하는 과정에서 고온·고압의 진공장비 활용이 필수적이었다. 장비 활용에 따른 광전극의 손상도 발생하곤 했다.

연구팀은 이러한 어려움을 피하기 위해 광전극 위에 양의 전하(+)를 띠는 물질과 음의 전하(-)를 띠는 물질을 서로 순서대로 쌓는 다층박막적층 기법의 접목을 시도했다. 자석이 서로 끌어당기듯 물질들이 서로를 끌어당기며 쌓이는 원리를 기반으로 한다.

연구팀은 상온의 물에 양의 전하를 갖는 고분자 물질 '폴리에틸렌이민(PEI)'과 음의 전하를 갖는 저렴한 물 분해 촉매 '폴리옥소메탈레이트(POM)'를 각각 녹였다. 이후 광전극을 각 물질이 녹아있는 수조에 번갈아 담그며 촉매를 쌓았다. 각 수조에 5분 정도 담그면 전극에 물질이 접착되는 방식이다.

이렇게 형성된 촉매 다중층(Catalytic Multilayer)은 광전극의 효율과 안정성을 동시에 확보할 수 있다. 연구팀이 산소 생성을 위한 광양극(BiVO₄)에 10개 층, 수소 생성을 위한 광음극(Cu₂O)에 15개 층의 촉매를 쌓아 실험을 진행한 결과 이들 전극은 촉매가 없는 광전극에 비해 효율이 약 10배 높아졌다.

류정기 교수는 "이번에 개발한 촉매층 형성법은 촉매의 종류나 양을 원하는 형태와 두께로 쉽고 간편하게 형성할 수 있는 기술"이라며 "물에 담그기만 하면 되는 간단한 공정을 거치기 때문에 기존에 진공장비 사용으로 인해 발생하던 전극 손상문제도 방지할 수 있다"고 설명했다.

한편, 이번 연구 성과는 화학 분야 국제학술지인 '그린 케미스트리(Green Chemistry)'에 13일자 표지 논문으로 게재됐다.