수소를 에너지원으로 사용하면 다른 부산물을 만들지 않아 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 자원 중 하나로 꼽힌다. 수소 생산과 관련한 기술 개발이 활발히 이뤄지고 있는 가운데 가장 대표적인 기술로는 태양에너지를 이용해 물을 분해해 수소를 생산하는 광전기화학 물분해가 있다. 

광전기화학 물분해에서 핵심이 되는 광전극의 소재로는 태양전지에 사용되는 실리콘을 들 수 있다. 하지만 실리콘 광전극의 경우 발생한 전자를 물로 전달하는 효율이 매우 낮아 백금과 같은 고가의 귀금속 촉매 사용이 필수적이었다. 

이상한 교수 연구팀은 고가의 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 '전이 금속 디칼코게나이드'(TMDs)를 주목했다. TMDs는 종이와 같은 얇은 2차원의 층 구조를 이룬다. 투명성과 우수한 촉매 특성을 지녀 적은 양으로도 실리콘 광전극의 효율을 극대화하는 장점을 가지고 있다. 

기존에는 단일 TMDs 촉매를 실리콘에 적용한 연구들이 진행되고 있었으나 연구팀은 서로 다른 TMDs를 적층시켜 계단형 밴드구조를 이루는 다중 층 TMDs 박막을 고안했다. 

연구팀에 따르면 고안된 다중 층 TMDs 촉매는 단일 TMDs 촉매보다 전자의 흐름이 개선돼 태양광으로부터 생성된 광전류를 단일 TMDs 촉매가 사용된 실리콘 광전극 대비 동일 전압 하에서 약 3배에서 최대 20배 이상 증대시켰다. 

특히 다중 층으로 구성된 TMDs 박막을 제작하기 위해 연구팀은 실리콘 기판 위에 TMDs를 직접 증착할 수 있는 '펄스드 레이저 증착법'을 이용했다. 이 증착법을 활용하면 세 개의 물질이 깨끗하게 쌓인다. 세 개의 다른 물질이 쌓이면 전하가 물쪽으로 빠지는 구조상 이점을 활용한다. 

이상한 교수는 "이번에 개발된 다중 층 TMDs 박막형 촉매가 앞으로 친환경 수소생산에 크게 기여하기를 바란다"며 "펄스드 레이저 증착법을 이용한 다중층 TMDs 합성법이 향후 친환경 촉매 뿐만 아니라 반도체 소자, 발광 소자 등 다양한 분야에도 적용될 수 있도록 노력할 것"이라고 말했다.