전복껍데기 모방 인공 광합성 소자 제조 기술 개발

울산과기원 류정기-연세대 김병수 교수팀, 진주층 구조 모사해 전극 효율 2.5배 증대

▲전복껍데기의 진주층과 개발된 인공광합성 촉매 비교 ⓒ한국연구재단

울산과학기술원 류정기 교수와 연세대 김병수 교수 공동연구팀이 전복껍데기의 진주층을 모방해 인공광합성 소자를 제조하는 기술을 개발했다.

이들은 산화그래핀과 분자촉매를 정교하게 조립해 인공 진주층을 만들고, 이를 통해 인공광합성의 효율을 대폭 향상시켰다.

그동안 식물이나 조류의 광합성처럼 태양에너지를 이용해 유용한 화학물질을 생산하는 인공광합성은 백금‧이리듐 등 희귀금속이나 전이금속 촉매를 필수적으로 사용할 수 밖에 없어, 높은 제조비용으로 인해 실용화하는데 어려움을 겪어왔다.

연구팀은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 금속을 극소량만 사용하면서도 촉매 활성이 높은 분자 형태의 촉매에 주목했다.

분자촉매를 물 분해 반응이 일어나는 전극 표면에 안정적으로 고정하기 위해 전복껍데기 진주층 구조를 모사했고, 전극의 효율도 2.5배 가량 증대시켰다.

연구팀은 분자촉매와 유기물을 전극 표면에 층상으로 쌓았다.

이때 활용된 유기물은 산화그래핀으로 분자촉매와의 정전기적 인력을 통해 전극표면에 순차적으로 쌓일 수 있다.

특히 산화그래핀은 접착제로서의 역할뿐만 아니라 전극에서 생성된 전하를 촉매까지 효율적으로 전달해준다.

높은 효율의 인공광합성 광합성소자를 쉽고 간편하게 설계와 제조할 수 있는 이 연구는 고부가가치의 에너지자원을 선택적으로 생성해 저탄소 녹색성장에 성공적으로 이바지할 수 있을 것으로 펑가된다.

또 현재 개발한 전극 외에도 크기와 무관하게 다양한 기판과 유연한 소재에 적용할 수 있어 다양한 에너지 소재 및 소자 기술에 적용할 수 있다.

▲국제학술지 ACS Nano 표지논문(front cover)으로 선정된 연구성과 ⓒ한국연구재단

류정기 교수는 “이 연구는 높은 효율의 인공광합성 소자를 자연모방을 통해, 쉽고 간편하게 설계‧개발한 것”이라며 ”향후 저탄소 녹색성장에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다“고 밝혔다.

이 연구 성과는 국제 저명학술지 'ACS 나노(ACS Nano)'에 1월22일자 표지논문으로 게재됐다.