용기중 교수
[대전=일요신문] 육심무 기자 = 인공광합성은 식물의 광합성을 모방하여 물을 분해하여 수소를 발생하거나 이산화탄소로부터 연료를 생산하는 친환경 재생에너지 생산기술로서, 미래의 에너지원 생산에 궁극적인 해결책이 될 수 있다.
과학기술정보통신부(장관 유영민)는 포항공대 용기중 교수와 김상국연구원 및 한국세라믹기술원 이승협 연구원팀이 잎의 광합성 기술을 모방해 극한 환경에서도 물을 분해하고 수소를 효율적으로 생산하는 스마트 인공광합성 기술을 개발했다고 밝혔다.
인공광합성은 자연 잎의 광합성을 인공적으로 모사해 태양광으로 물을 분해하거나 이산화탄소로부터 연료를 얻는 작용을 일컬는다.
지구상의 식물이 가진 가장 중요한 특성인 광합성은 태양에너지와 이산화탄소, 물을 이용하여 식물생장에 필요한 에너지원과 산소를 생산하는 최고의 에너지 생산기술이다.
이승협 연구원
약 100 년 전 한 이탈리아 광화학자가 인공광합성의 가능성을 예측한 이래로 다양한 방법을 통해서 광합성을 인공적으로 모사하여 물을 분해하여 수소를 생산하거나 이산화탄소 전환을 통해서 화학연료을 생산하는 인공광합성 시스템 개발에 노력해왔다.
이와 같은 다양한 노력들에도 불구하고 현재까지 개발된 기술들은 대부분 효율적인 측면에서 상용화 가능기준인 10% 태양에너지 변환효율에 미치지 못하는 경우가 일반적이며, 이와 함께 보다 경제적인 공정에 의한 시스템 개발과 동시에 다양한 자연환경에서도 작동 가능하며 효율적인 시스템 디자인 개발이 요청되는 현황이다.
식물의 광합성 원리를 이용한 인공광합성 연구는 물을 분해하여 수소를 발생하거나 이산화탄소로부터 연료를 생산하는 친환경 재생에너지 생산기술로 청색기술 과학자를 중심으로 활발하게 진행되고 있다.
하지만 지금까지 개발된 인공 잎 시스템은 상용화 가능 기준인 태양에너지 변환효율의 10%에도 미치지 못하고, 사막 같이 수분이 부족한 환경에서는 시스템이 제 기능을 발휘하지 못해 경제적인 공정 개발과 다양한 자연환경에서도 작동 가능한 효율적인 시스템 개발이 요구되어 왔다.
연구팀은 시리즈 형태의 CuInS2 (CIS) 박막형 태양전지와 물분해 촉매전극을 결합하여 일체형 인공잎 시스템을 개발했다.
태양전지와 물 분해 촉매전극 사이에 자유공간을 삽입하고, 2차원 평면 전극 구조를 도입한 독창적인 디자인을 적용해 물 위에 띄우는 방법으로 태양광 흡수 기능을 극대화한 일체형 인공 잎 시스템을 개발했다.
인공잎 디자인에 있어서 태양전지와 촉매전극 사이에 자유공간을 삽입함으로써 시스템의 부력을 향상시켜 물위에 띄울 수 있는 구조를 새롭게 개발함으로써 기존의 인공잎과는 달리 태양광 흡수를 극대화 할 수 있었다.
또한 촉매 전극의 경우도 산소를 생산하는 촉매와 수소를 생산하는 촉매를 단일 표면에 증착함으로써 적은 양의 물이 촉매전극을 적시는 조건에 있어서도 물분해 반응이 일어날 수 있도록 유도하였다.
개발된 인공 잎은 산소를 생산하는 촉매와 수소를 생산하는 촉매를 단일 표면에 증착된 형태로 구성돼 소량의 물이 인공 잎 바닥면에 접촉하는 것만으로도 물 분해 반응이 가능하다.
김상국 연구원
기존의 인공 잎은 물이 풍부한 상태에서 전체적으로 물에 잠긴 상태에서 사용되어 왔지만 물이 부족하여 인공잎이 잠길 수가 없다면 작동에 제한이 있었다.
그러나 이번 연구진의 인공 잎은 얇게 퍼져있는 소량의 물과 접촉하는 것만으로도 작동이 가능하기 때문에, 사막과 같이 물이 결핍된 조건에서도 극소량의 물 만으로도 인공잎의 작동이 가능하다.
연구팀은 시리즈 형태로 제작한 CIS 태양전지와 백금, 니켈-철 촉매를 이용하여 수소변환효율 약 3 %를 얻을 수 있었으며, 보다 고효율의 태양전지인 연구팀은 시리즈 형태로 제작한 CIS 태양전지와 백금, 니켈-철 촉매를 이용하여 페로브스카이트 태양전지를 이용하는 경우 10 % 이상의 변환 효율을 얻을 수 있었다.
용기중 교수는 “이번 연구는 물이 부족한 사막과 같은 극한 환경에서도 작동이 가능하고, 10% 이상의 수소변환 효율을 달성했다는 점에서 의미가 크며 향후 실제 자연 환경에서의 오염물질 정화, 휴대용 연료전지 개발 등 다양하게 응용될 것으로 기대된다”면서 “향후 본 시스템에서 더 발전시켜야 하는 부분은 생산된 수소와 산소기체를 효과적으로 분리하고 포집하는 기술의 개발로 현재 본 연구실에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 후속연구를 수행 중에 있다”고 설명했다.
과기정통부 기초연구지원사업(집단연구)의 지원을 받아 수행된 이 연구 성과는 신소재 개발 관련 국제학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 9월 13일자에 표지논문으로 게재되었다. ( 논문명 : A Highly Versatile and Adaptable Artificial Leaf with Floatability and Planar Compact Design Applicable in Various Natural Environments)
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