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날짜 2020.09.15 언론홍보

[한국기초과학지원연구원]

태양광으로 안정적·고효율 수소 생산하는 광촉매 개발

태양광으로 안정적·고효율 수소 생산하는 광촉매 개발


KBSI·인천대 국제공동연구로‘생체고분자/반도체’기반 복합소재 개발


환경분야 최상위 학술지 Applied Catalysis B : Environmental 논문 게재


 

 

▲ 생체고분자(PDA, 폴리도파민)/반도체(황화아연, ZnS)접합구조체를 이용한 고효율 전하-정공 분리 및 태양광 기반 수소 발생 광촉매 응용 모식도

 

 한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI) 소재분석연구부 김해진 박사 연구팀이 주도하는 국제공동연구팀이 태양광을 이용해 수소를 고효율로 생산하는 생체고분자 기반 광촉매 개발에 성공했다. 특히 이 광촉매는 매우 안정적인 상태를 유지하면서, 태양광으로 물을 분해하는 친환경적인 방법으로 수소를 생산하는 것이 가능하다.

 

 

 이번에 공동연구팀이 개발한 새로운 광촉매는 황화아연 반도체(ZnS) 나노막대기에 생체고분자 물질인 폴리도파민을 나노미터 수준으로 균일하게 코팅한 ‘생체고분자/반도체’ 복합체로써, 기존 반도체(ZnS) 촉매 대비 2배 이상의 수소 생산능력과 뛰어난 광안정성*을 보였다.
* 광안정성 : 촉매가 빛에 노출되면 구조적 변형이 일어나고 기능이 저하된다. 이러한 빛에 의한 변형을 견뎌내고 기능을 유지하는 정도를 ‘광안정성’이라 한다.

 

 수소는 최근 각광받고 있는 수소전기자동차 등의 연료로 사용되며, 사용 후 물만을 배출하므로 공해물질이 없는 차세대 친환경 연료로 평가받고 있다. 그러나 현재 수소를 생산하는 방법은 천연가스 등의 화석연료에 기인(부생수소)하거나 막대한 전기에너지로 물을 분해하여 생산하는 등의 방식에 크게 의존하고 있어, 이를 대체할 수 있는 친환경적인 수소 생산 연구의 필요성이 지속적으로 제기되어 왔다.

 

 

 태양광만으로 물을 분해하여 수소를 생산하는 광촉매 기반 수소 생산 방법은 그동안 생산 효율이 저조하고 광안정성도 매우 낮다는 단점으로 인해, 실제 산업적 활용을 위해서는 이 두 가지 한계를 극복할 수 있는 광촉매 개발이 시급히 요구됐다.

 공동연구팀이 이번에 개발한 광촉매 1g을 이용하면 시간 당 48.5mL의 수소 기체를 생산할 수 있다. 이는 기존의 반도체(ZnS) 촉매 대비 최대 220% 증가된 것으로, 연구팀은 ‘생체고분자/반도체’의 계면을 정확하게 분석하고 그 특성을 제어함으로써 생산효율을 극대화할 수 있었다.

 

 

 또한, 24시간 동안 빛에 노출된 후에도 약 78%의 수소 생산 효율을 유지하는 광안정성을 보였다. 본래 황화물 기반 반도체는 매우 낮은 광안정성을 갖지만, 생체고분자 물질인 폴리도파민과 접합하여 수소생산효율과 광안정성이 동시에  개선될 수 있음을 시사한다.

 

 이번 국제공동연구에는 한국기초과학지원연구원을 중심으로 인천대학교(총장대행 양운근, 인천대)와 폴란드 ‘아담 미츠키에비츠 대학교(AMU)’, 스페인 ‘바르셀로나 대학’이 참여했다. KBSI 연구팀은 새로운 광촉매 소재의 전자현미경 분석, 표면 특성 분석, 이론계산 등을 수행했으며, 인천대, AMU 연구팀 및 바로셀로나 대학은 광촉매 소재를 제작해 광전기화학적 특성을 분석하고, 광촉매의 실제 수소 생산 능력을 평가했다.

 


 ▲ 생체고분자/반도체 광촉매의 전자현미경(a,d,e) 및 EELS(전자손실분광) 분석(b,c)을 통한 밴드 갭 에너지 분석

 

 

 이번 연구는 국가과학기술연구회(융합연구사업)와 한국연구재단(이공분야 대학중점연구소 지원사업)을 통해 이뤄졌으며, 환경 분야 최상위 학술지인 “Applied Catalysis B : Envrionmetnal”誌 (논문명: Efficient photocatalytic production of hydrogen by exploiting the polydopamine-semiconductor interface, IF=16.683, JCR 상위 0.94%, 인천대 김연호(공동 제1저자 겸 공동교신저자), AMU Emerson Coy(공동 제1저자), KBSI 김해진(공동교신저자))에 최근 게재되었다.

 

 

 인천대 김연호 교수는 “이번에 개발된 광촉매의 핵심은 생체고분자인 폴리도파민 코팅으로서, 황화아연(ZnS)뿐 아니라 다른 종류의 나노소재·광촉매 등에도 응용이 가능”하다며, “향후 후속연구를 통해 보다 효과적인 광촉매 발굴로 이어질 수 있는 원천연구라는 점에서 중요한 의미를 갖는다”고 밝혔다.

 

 이번 국제공동연구를 주도한 KBSI 김해진 책임연구원은 “이번 연구는 수소 생성이란 하나의 연구 목적을 위해 서로 다른 분야에 사용되던 소재를 융합하여 새로운 가능성을 제시한 것”으로서, “이와 마찬가지로, 코로나 팬더믹 상황으로 국제공동연구가 어려워진 현재, 공동의 연구주제 달성을 위해 여러 연구자들이 이전보다 더욱 더 서로 이해하고 노력하며 힘을 합친 결과 이번 성과를 낼 수 있었다는 것이 기쁘다”고 밝혔다.  <끝>