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나노박막 이용해 수소생산용 광전극 형성
비스무스 바나데이트소재로 구현, 광 전류 밀도 10배 ↑
산화텅스텐 삽입층에 의한 단결정 비스무스 바나데이트 광전극 박막 성장에 대한 구조적 모델과 이에 따른 광 특성 향상에 대한 모식도
국내 연구진이 친환경 수소에너지를 더욱 효율적으로 생산할 수 있는 새로운 단결정 광전극 형성법을 제시했다.

GIST(광주과학기술원, 총장 문승현)는 이상한 신소재공학부 교수 연구팀이 태양광을 이용한 물분해시 필요한 광전극을 제작할때 매우 얇은 수 나노미터(nm) 두께의 기능성 삽입층을 이용하면 아주 쉽게 고품질의 단결정 광전극을 형성할 수 있음을 밝혔다고 지난 1일 밝혔다.

광전극이란 태양광을 흡수해 전자와 정공을 발생시키는 물질로 만들어진 전극으로 여기서 물이 광전극에서 발생한 전자와 정공과 반응해 친환경 재생 가능한 수소에너지로 전환된다.

대표적인 광전극 물질이 비스무스 바나데이트(BiVO4)인데, 현재까지 이 물질을 구동가능한 고품질의 단결정 광전극형태로 제작한 사례가 없다.

이에 연구팀은 수 나노미터(nm) 두께의 나노박막 삽입층으로 고품질의 단결정 비스무스 바나데이트 광전극을 성장할 수 있음을 최초로 실험적으로 밝혔다.

연구결과, 산화텅스텐(WO3)을 삽입층으로 했을 때, 격자 부정합의 감소로 인해 비스무스 바나데이트 광전극이 고품질의 단결정으로 성장했다.

또한 산화텅스텐 삽입을 통해 산화텅스텐이 비스무스 바나데이트에 비해 낮은 에너지 레벨로 인한 전하수송층으로의 역할을 수행했다. 또 표면에너지 차이로 인한 상대적으로 ~10% 증가된 비스무스 바나데이트 표면적을 얻는다는 점에서 광 전류 밀도가 10배 이상 향상되는 효과를 얻었다.

광 전류 밀도가 높다는 것은 태양광으로부터 받은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율이 크다고 말할 수 있다. 이렇게 발생된 전기 에너지가 물을 분해해 수소를 만들어 낼 수 있다.

연구팀은 단순히 수 나노미터 두께의 산화텅스텐 삽입을 통해 고품질의 단결정 비스무스 바나데이트 광전극이 형성됨과 동시에 결과적으로 고효율의 수소 생산을 가능하게 됐다고 설명했다.

이상한 교수는 “이 연구를 통해 수 나노미터의 두께의 삽입층을 이용하면 고품질의 단결정 비스무스 바나데이트 광전극이 형성될 수 있음이 밝혔다”며 “본 연구 결과를 통해 추후 결정면에 따른 비스무스 바나데이트의 광 활성 거동에 대한 근본적인 이해도 가능하리라 예상되고 또한 친환경 에너지 생산 기술 분야에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, GIST 기후변화대응기술 개발과제의 지원으로 수행된 이번 연구는 신소재공학부 이상한 교수가 주도하고 송재선 박사과정과 차재성 석사과정(공동 제1저자)이 수행하였다. 연구 결과는 에너지소재 분야의 세계적 학술지인 저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이 (Journal of Materials Chemistry A, IF=8.867)에 2017년 8월 25일 온라인으로 게재되었다.

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