[파이낸셜뉴스] 포항공과대학교(POSTECH) 화학과 이인수 교수팀이 서로 다른 물질을 납작하게 겹쳐 수소를 더 잘 만들어내는 촉매를 개발했다. 연구진이 개발한 촉매는 기존의 촉매 물질에 비해서 11.2배 높은 활성이 나타났으며, 오랜 기간 안정적으로 기능이 유지됐다. 연구진은 버터와 팥을 납작하게 겹친 앙버터는 버터의 부드러움과 팥의 달콤함이 더해져 새로운 맛을 내는 것처럼 철·니켈 이중층 수산화물(LDH) 표면에 백금을 납작하게 겹쳐 수소 생산 효율을 한층 높이는 촉매를 만들었다고 설명했다. 이인수 교수는 "이 촉매는 알칼리 수전해용 촉매 물질 중 최고 수준의 활성과 안정성을 보였다"며 "저탄소에너지원으로 가장 중요하게 여겨지는 그린수소의 생산성을 크게 높일 수 있을 것"이라고 말했다. 백금은 수소와 잘 결합해 수소 생성에 가장 적합한 촉매 물질로 알려져 있다. 다만 물 분해 능력이 떨어져, 철·니켈 수산화물과 결합해 물 분해 능력을 높이고자 하는 연구가 이뤄졌다. 연구진은 이미 다공성 2차원(2D) 백금 나노판 사이에 2D 니켈·철 수산화물 나노판이 끼어 있는 샌드위치 형태의 하이브리드 물질을 합성하는 데 성공한 바 있다. 이 물질은 수 나노미터(nm, 1nm=10억분의 1m) 두께의 철·니켈 수산화물 표면에 약 1nm의 백금 층을 성장시키는 독창적인 방법으로 만들어졌다. 이번에는 백금 층을 별도로 얇게 만들어 합성시키는 방법을 시도했다. 백금 층이 철·니켈 수산화물 표면에서 자라날 때, 표면과 맞닿지 않은 면이 평평하지 않게 자라나는 한계를 극복하기 위해서다. 연구진은 한정된 2D 나노공간에서 백금의 위아래 결정면이 모두 평평하게 자라나게 해, 철·니켈 수산화물과 더 효과적으로 반응하도록 했다. 이 촉매는 넓은 계면에 걸쳐 밀접하게 붙어 있는 철·니켈 수산화물과 백금 사이에서 상호보조적인 효과가 일어난다. 이 교수는 "획기적인 촉매 합성법으로 수소 생산 효율을 높인 이 연구성과는 미래 촉매 분야에 크게 이바지할 것"이라고 전망했다. 한편, 이인수 교수는 슈만 듀타 연구조교수와 홍유림 박사과정생, 신소재공학과 최시영 교수, 화학공학과 한정우 교수와 함께 한 연구를 통해 최근 국제 학술지 '미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)'의 보충표지논문으로 연구결과가 발표됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

【파이낸셜뉴스 울산=최수상 기자】 UNIST 장지욱·양창덕·조승호 교수팀은 유기 반도체 물질을 물로부터 효과적으로 보호하는 ‘모듈시스템’을 이용해 성능과 안정성이 모두 우수한 광전극을 개발했다고 9일 밝혔다.   기존 무기 반도체 기반 광전극 보다 수소 생산 효율이 2배 이상 높을 뿐만 아니라 대면적 제조가 가능해 가격 측면에서도 유리하다. 따라서 광전극을 물에 넣고 햇볕을 쪼여 수소를 얻는 ‘태양광 수소’ 시대가 더 앞당겨질 전망이다.  태양광 수소 생산에 쓰이는 광전극은 태양광 에너지를 흡수해 전하 입자를 만드는 반도체 물질로 이뤄졌다. 생성된 전하 입자가 전극 표면에서 물과 반응해 수소와 산소를 만드는 것이 태양광 수소 생산의 원리다. 반응이 물속에서 일어나기 때문에 안정한 금속산화물 무기 반도체 광전극이 주로 연구됐다. 반면 유기 반도체 물질은 수소 생산 효율은 훨씬 높지만 물 안에서 빠르게 손상된다는 문제가 있어 광전극으로 쓰이지 못했다. 이에 공동연구팀은 액체금속(인듐-칼륨 합금), 니켈포일, 그리고 니켈 포일위에서 바로 자란 촉매(니켈-철 이중층 수산화물)로 구성된 모듈시스템을 이용해 물속에 안정한 유기 반도체 광전극을 만들었다. 니켈포일은 물이 유기반도체와 직접적으로 접촉하는 것을 막고, 포일위에 바로 성장시킨 촉매가 전체 반응을 돕는다. 또 니켈포일과 유기반도체 사이를 메우는 물질이 액체 금속이기 때문에 물은 빈틈없이 차단하면서도 전하 입자의 흐름은 막지 않는다. 실험에서는 새로운 광전극의 수소 생산 효율(반쪽 전지 효율)이 기존 무기 반도체 광전극의 2배 이상인 4.33%를 기록했다. 에너지화학공학과 장지욱 교수는 “높은 효율을 갖는 유기물을 광전극에 적용할 수 있다는 가능성을 보인 연구” 라며 “기존에 효율 측면에서 한계가 있었던 태양광 수소 전환 기술의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 기대했다. 에너지화학공학부 양창덕 교수는 “유기 반도체는 무기 반도체와 달리 무궁무진한 조합을 만들 수 있어 효율이 더 높은 새로운 유기 반도체 물질을 계속 발굴 할 수 있다”며 “이 때문에 추가적 성능 향상이 기대된다”고 전했다. 신소재공학과 조승호 교수는 “이번에 개발된 시스템은 하나의 모듈로써 니켈 포일위에 자란 촉매나 유기 반도체의 종류를 바꿔 쓸 수 있는 것이 장점”이라며 “ 현재 전하 이동을 돕는 새로운 촉매에 대한 연구를 계속 해나가고 있다”고 설명했다. 이번 연구 성과는 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 11월 2일자로 공개됐다. 유제민 UNIST 석박통합과정 대학원생, 이정호 UNIST 박사(現 퍼듀대학교 박사 후 연구원), 김윤서 UNIST 석박통합과정 대학원생이 공동 1저자로 참여했다.  ulsan@fnnews.com 최수상 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 물에 햇볕을 쪼여 수소를 만드는 유기 반도체 기반의 광전극을 안정적이면서도 효율이 높게 개발했다. 연구진은 기존 무기 반도체 기반 광전극 보다 수소 생산 효율이 2배 이상 높을 뿐만 아니라 대면적 제조가 가능해 가격 측면에서도 유리하다고 설명했다. 울산과학기술원(UNIST)은 장지욱·양창덕·조승호 교수팀이 유기 반도체 물질을 물로부터 효과적으로 보호하는 '모듈시스템'을 이용해 광전극을 개발했다고 9일 밝혔다. 새로운 광전극의 수소 생산 효율은 기존 무기 반도체 광전극의 2배 이상인 4.33%를 기록했다. 에너지화학공학과 장지욱 교수는 "높은 효율을 갖는 유기물을 광전극에 적용할 수 있다는 가능성을 보인 연구로 기존에 효율 측면에서 한계가 있었던 태양광 수소 전환 기술의 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 기대했다. 태양광 수소 생산에 쓰이는 광전극은 태양광 에너지를 흡수해 전하 입자를 만드는 반도체 물질로 이뤄졌다. 생성된 전하 입자가 전극 표면에서 물과 반응해 수소와 산소를 만드는 것이 태양광 수소 생산의 원리다. 반응이 물속에서 일어나기 때문에 안정한 금속산화물 무기 반도체 광전극이 주로 연구됐다. 반면 유기 반도체 물질은 수소 생산 효율은 훨씬 높지만 물 안에서 빠르게 손상된다는 문제가 있어 광전극으로 쓰이지 못했다. 연구진은 인듐-칼륨을 합한 액체금속, 니켈포일, 그리고 니켈 포일위에서 니켈-철 이중층 수산화물이 바로 자란 촉매로 구성된 모듈시스템을 이용해 유기 반도체 광전극을 만들었다. 니켈포일은 물이 유기반도체와 직접적으로 접촉하는 것을 막고, 포일 위에 바로 성장시킨 촉매가 전체 반응을 돕는다. 또 니켈포일과 유기반도체 사이를 메우는 물질이 액체 금속이라 물은 빈틈없이 차단하면서도 전하 입자의 흐름은 막지 않는다. 에너지화학공학부 양창덕 교수는 "유기 반도체는 무기 반도체와 달리 무궁무진한 조합을 만들 수 있어 효율이 더 높은 새로운 유기 반도체 물질을 계속 발굴 할 수 있에 추가적 성능 향상이 기대된다"고 말했다. 신소재공학과 조승호 교수는 "현재 전하 이동을 돕는 새로운 촉매에 대한 연구를 계속 해나가고 있다"고 말했다. 유제민 UNIST 석박통합과정 대학원생, 퍼듀대학교 이정호 박사후연구원, 김윤서 UNIST 석박통합과정 대학원생이 공동 1저자로 참여한 이번 연구 성과는 '네이쳐 커뮤니케이션즈' 2일자로 공개됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자