- 3년 내 상용기준 10% 달성 목표

햇빛을 잘 빨아들여 인공광합성 작용으로 수소에너지를 만들 수 있는 '인공나뭇잎'(광촉매) 소자가 개발됐다. 인공나뭇잎은 물과 햇빛을 원료로 양분을 만드는 나뭇잎처럼 햇빛으로 값비싼 수소 연료를 생산하는 반도체 소자를 말한다.

인공태양빛을 받아 물을 분해해 수소와 산소를 생성하는 인공나뭇잎의 작동 모습. 울산과학기술원 제공

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 이재성 교수팀이 독일 헬름홀츠연구소 반디크롤 교수팀과 함께 물속에서 햇빛을 받으면 수소를 발생시키는 인공나뭇잎 소자를 개발했다. 이 소자는 해조류의 광합성 원리를 모방해 태양에너지를 수소로 전환하는 효율을 종전 5%에서 8%로 끌어올렸다. 해조류도 땅 위 식물처럼 태양 빛을 받아 광합성을 하는데 바닷속 깊은 곳에서는 태양 빛을 온전히 받기 어렵다. 해조류는 서식하고 있는 깊이까지 도달하는 파장만을 선택적으로 활용하는 맞춤형 광합성을 한다.

연구진은 인공나뭇잎이 해조류처럼 햇빛의 서로 다른 파장대를 나눠 이용할 수 있도록 두 개의 광촉매 물질을 병렬로 연결한 '이종쌍전극(Hetero dual photoanode)'의 개념에 착안해 친환경적인 비스무스 바나데이트 산화물과 산화철을 나란히 이어 소자를 개발했다. 이종쌍전극 중 비스무스 바나테이트는 짧은 파장의 빛을, 산화철은 긴 파장의 빛을 각각 활용한다.

이번 연구는 최근 발효된 파리협약에 따른 이산화탄소 발생 저감과 처리에 도움이 될 것으로 보인다. 인공나뭇잎으로 생산한 수소를 연료로 사용하면 이산화탄소가 발생하지 않기 때문이다. 수소연료전지 자동차를 보급하기 위한 수소연료 생산기술로도 활용될 수 있다.

이 교수는 "상대적으로 값싸고 안정적인 산화물을 이용한 광촉매 중에서 8% 효율은 세계 최고 수준"이라며 "3년 안에 상용화의 기준으로 여겨지는 효율 10%를 달성해 재생에너지형 수소충전소를 세우는 데 기여하고 싶다"고 말했다.

이 연구는 미래창조과학부의 기후변화대응 사업과 중견연구자 사업을 통해 이뤄졌다. 오상준 기자