층상구조 실리콘 이용해 최적의 광촉매 설계

기존 금속화합물 기반 광촉매보다 효율적으로 그린수소를 생성하는 친환경 소재 실리콘 광촉매가 개발됐다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 심우영 교수(연세대학교) 연구팀이 독특한 표면 구조를 가지는 층상구조 실리콘을 이용해 태양광 기반의 고효율 수소 발생 광촉매를 개발했다고 밝혔다.

기존의 금속화합물을 기반으로 한 광촉매는 태양광으로 활용하기 어렵거나 독성이 있어 친환경이지 않다는 단점이 있다.

최근 이 한계를 극복하기 위해 태양광 활용에 유리하고 생산 과정에서도 유해한 화학물질을 배출하지 않아 친환경적 광촉매로 주목받고 있는 실리콘 소재를 사용해 연구를 시도하고 있다.

그러나 기존의 실리콘 광촉매는 금속화합물을 기반으로 한 광촉매에 비해 수소 생산 효율이 낮은 본질적인 한계가 있어 이를 해결할 수 있는 새로운 방식이 필요한 상황이다.

이에 연구팀은 실리콘의 층상 구조화를 통해 태양광 흡수는 물론 수소 발생에서도 높은 효율을 가지는 광촉매를 개발하고 작동 원리를 규명했다.

먼저 실리콘 화합물에서 특정 원소 제거를 통해 층상형 구조의 실리콘 화합물을 득한 후, 물질의 계면 제어로 독특한 표면을 가지는 층상구조의 실리콘을 개발했다.

연구팀은 일반적인 표면보다 독특한 표면 구조가 높은 수소 발생 효율을 가지는 것을 실험 및 시뮬레이션을 통해 증명했으며, 측정된 수소 발생 효율도 실리콘 소재 중 가장 높은 것으로 확인했다.

또한, 태양광 에너지의 약 4%인 자외선만을 흡수할 수 있는 기존 금속화합물과 다르게 자외선, 가시광선을 모두 흡수할 수 있어 태양광 에너지의 약 44%를 활용할 수 있는 광 흡수 능력을 보였다.

이번 연구는 낮은 효율로 인해 사용이 제한되었던 비 금속 소재를 독특한 표면 구조를 가지는 광촉매로 만들어 기존 광촉매 시장에 없던 소재를 응용해 분야를 개척했다는 데 의의가 있다.

심우영 교수는 “이번 연구성과가 실용화되면 강력한 대체 에너지원으로 주목받고 있는 그린수소 시장의 점유율 확보가 가능할 것으로 예상된다”고 설명했다.