해양식물 하이드로젤 기술로…‘그린수소’ 광전극 내구성 대폭 향상

■ Science
- 문주호·이형석 교수팀, 신개념 하이드로젤 기반 보호 기술 개발

수소의 생산단가 낮추기 위해
‘低價광전극’ 연구 활발하지만
‘광흡수층 부식’ 등 작동 한계

물 많이 머금는 3차원 폴리머
‘하이드로젤 보호막’ 사용하여
광전극 구동시간 획기적 증가

태양광으로 물을 분해해 만든 청정 수소, 이른바 ‘그린 수소’ 생산 기술은 탄소 배출이 없는 친환경 미래기술이다. 그린 수소 기술의 상용화를 위해서는 수소의 생산 단가를 낮추는 게 중요하기 때문에 저가 재료 및 저비용 용액 공정을 활용한 ‘저가 광(光)전극’ 연구가 활발히 진행되고 있다.

그러나 저가 광전극은 광흡수층의 부식이나 표면 촉매의 손상 및 탈착 등의 원인으로 인해 장시간 작동이 어렵다는 한계가 있었다. 연구자들은 그동안 광전극 상부에 산화물과 같은 고체 물질을 코팅하는 시도를 했었는데 빛과 수소 이온이 표면 촉매까지 전달되는 것을 방해해 광전극의 효율을 감소시킬 뿐만 아니라 실제 보호 효과도 충분하지 않았다. 이에 빛과 수소 이온의 전달을 방해하지 않으면서 광전극 표면의 파손 문제를 해결할 수 있는 새로운 보호 기술이 필요해졌다.

우리나라 연구진이 온실가스 발생 없이 태양 빛으로 물에서 수소 생산이 가능한 광전극의 내구성을 높일 수 있는 생체모방형 하이드로젤(Hydrogel) 보호 기술을 개발했다. 하이드로젤은 상처 드레싱이나 소프트렌즈, 기저귀 등에 사용되는 재료로 물을 많이 머금을 수 있는 3차원 다량체(폴리머·polymer) 구조물을 말한다.

한국연구재단은 문주호 교수(연세대 신소재공학과, 제1저자 탄제완 박사), 이형석 교수(연세대 기계공학과, 제1저자 강병준) 연구팀이 광전극의 구조 손상을 방지하고 구동 시간을 획기적으로 증가시킬 수 있는 신개념 하이드로젤 기반 보호 기술을 개발했다고 밝혔다. 광전극을 활용한 물 분해 기술은 그린 수소를 생산할 수 있는 친환경 미래 기술로서 그간 광전극의 효율을 높이려는 많은 시도가 이뤄져왔으나 광전극의 부식, 표면 촉매의 탈착 등으로 인한 내구성 저하 문제는 여전히 실용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다. 이에 연구팀은 해양 식물 표피층의 ‘하이드로젤’ 보호막이 내부 세포 손상을 억제한다는 것에 주목해 물속에서 작동하는 광전극의 표면을 이와 유사하게 설계해 하이드로젤 보호막을 사용하면 광전극의 구동 시간이 획기적으로 증가함을 입증했다. 즉, 하이드로젤의 기계적·구조적 특성 최적화를 통해 장시간 구동이 가능한 보호막 조건을 도출해 광전극 구동시간을 향상시키는 데 기여한 것이다. 또 하이드로젤의 나노 그물망이 광전극의 부식과 표면 촉매의 탈착을 동시에 억제함으로써 내구성을 높일 수 있음도 밝혔다.

이번 성과는 광전극의 효율을 유지하면서 내구성을 크게 증가시킬 수 있는 원천 기술을 개발한 것으로 광전극 종류와 무관하게 적용 가능하며, 또한 광전극의 내구성 저하 메커니즘 규명과 구동시간 향상 방법을 원리적으로 제시해 향후 반영구적 그린 수소 생산 시스템 개발에 실마리를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 문 교수는 “광전극의 부식과 표면 촉매 탈착을 동시에 억제하며 다양한 광전극에 적용 가능한 저가 하이드로젤 보호 기술을 최초로 제시했다는 데 의의가 있다”고 말했다. 또 이 교수는 “나노 그물망 형태의 하이드로젤 보호막이 광전극의 수소 생산에 미치는 영향을 규명하고, 보호막의 최적화를 통해 전극 수명을 연장시켰다는 점이 중요하다”고 강조했다. 연구진은 다만 그린 수소 생산의 실용화를 위해서는 시스템의 반영구적 구동이 필수적이므로 광전극 및 하이드로젤의 특성 최적화에 대한 추가 연구가 필요하다고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구, 나노소재기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’ 6월 10일자(한국시간) 온라인에 게재됐다.

노성열 기자 nosr@munhwa.com