[대전=뉴스핌] 김태진 기자 = 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 소재분석연구부 김해진 박사 연구팀 주도 국제공동연구팀이 태양광을 이용해 수소를 고효율로 생산하는 생체고분자 기반 광촉매 개발에 성공했다고 15일 밝혔다.

이 광촉매는 매우 안정적인 상태를 유지하면서 태양광으로 물을 분해하는 친환경적인 방법으로 수소를 생산할 수 있다.

광촉매 1g을 이용하면 시간 당 48.5mL의 수소 기체를 생산할 수 있다. 이는 기존의 반도체(ZnS) 촉매 대비 최대 220% 증가된 것이다.

생체고분자(PDA, 폴리도파민)/반도체(황화아연, ZnS)접합구조체를 이용한 고효율 전하-정공 분리 및 태양광 기반 수소 발생 광촉매 응용 모식도[사진=KBSI] 2020.09.15 memory4444444@newspim.com

연구팀은 '생체고분자/반도체'의 계면을 정확하게 분석하고 그 특성을 제어함으로써 생산효율을 극대화할 수 있었다.

이 광촉매는 24시간 동안 빛에 노출된 후에도 약 78%의 수소 생산효율을 유지하는 광안정성을 보였다.

광안정성은 촉매가 빛에 노출되면 구조적 변형이 일어나고 기능이 저하되는데 이런 빛에 의한 변형을 견뎌내고 기능을 유지하는 정도를 말한다.

현재 수소를 생산하는 방법은 천연가스 등의 화석연료에 기인(부생수소)하거나 막대한 전기에너지로 물을 분해해 생산하는 등의 방식에 크게 의존하고 있어 이를 대체할 수 있는 친환경적인 수소 생산 연구의 필요성이 지속적으로 제기돼 왔다.

또 태양광만으로 물을 분해해 수소를 생산하는 광촉매 기반 수소 생산 방법은 그동안 생산효율이 저조하고 광안정성도 매우 낮다는 단점 때문에 실제 산업적 활용을 위해서는 이 두 가지 한계를 극복할 수 있는 광촉매 개발이 시급히 요구됐다.

이 연구에는 한국기초과학지원연구원을 중심으로 인천대학교와 폴란드 '아담 미츠키에비츠 대학교(AMU)', 스페인 '바르셀로나 대학'이 참여했다.

KBSI 연구팀은 새로운 광촉매 소재의 전자현미경 분석, 표면 특성 분석, 이론계산 등을 수행했으며 인천대, AMU 연구팀 및 바로셀로나 대학은 광촉매 소재를 제작해 광전기화학적 특성을 분석하고 광촉매의 실제 수소 생산 능력을 평가했다.

공동연구진[사진=KBSI] 2020.09.15 memory4444444@newspim.com

국제공동연구를 주도한 KBSI 김해진 책임연구원은 "이번 연구는 수소 생성이란 하나의 연구 목적을 위해 서로 다른 분야에 사용되던 소재를 융합, 새로운 가능성을 제시한 것"이라며, "코로나 팬더믹 상황으로 국제공동연구가 어려워진 상황에서 공동의 연구주제 달성을 위해 여러 연구자들이 이전보다 더욱 서로 이해하고 노력하며 힘을 합친 결과 이번 성과를 낼 수 있어 기쁘다"고 말했다.

이번 연구는 국가과학기술연구회(융합연구사업)와 한국연구재단(이공분야 대학중점연구소 지원사업)의 지원으로 수행됐다. 연구성과는 환경분야 최상위 학술지인 '응용 촉매 B환경(Applied Catalysis B)'에 게재됐다.  

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