식물이 햇빛을 받아 광합성을 하듯, 햇빛을 받으면 에너지를 만들어내는 촉매를 광촉매라 한다. 그중에서도 우리 주변에서 풍부하게 있는 물을 분해해 수소를 만들어내는 광촉매는 수소경제를 실현하기 위한 핵심 기술로 손꼽힌다. 최근 국내 연구진이 햇빛을 받으면 수소 에너지를 ‘펑펑’ 만들어내는 광촉매를 개발해 이목을 끈다. 가시광선과 자외선 영역의 빛을 모두 흡수할 수 있는 이 광촉매의 수소생산 효율은 기존의 광촉매보다 12배나 높다.

POSTECH 화학공학과 용기중 교수·통합과정 문현식 씨 연구팀은 백금(Pt)/질화탄소(g-C3N4)/이산화티타늄(TiO2)/이리듐산화물(IrOx)(이하 PCTI) 광촉매를 합성하는 데 성공, 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 최근 발표했다.

청정에너지를 만들 수 있는 광촉매는 잠재력이 큰 기술이지만, 아직 에너지를 효율적으로 만들어내는 데에는 여러 어려움이 따랐다. 빛의 흡수가 비효율적일뿐더러, 표면의 반응속도가 느리다는 한계가 있었기 때문이다. 광촉매를 구성하는 반도체 물질에서 전자와 정공이 재결합하며 성능이 떨어지는 현상을 막아야 하기도 했다. 

연구팀은 이러한 문제를 ‘한 번에’ 해결한 광촉매를 개발했다. 이 광촉매는 속이 빈 형태의 이산화티타늄에 아주 얇은 질화탄소를 덧씌운 지스킴(Z-scheme) 이종 구조로 만들어졌다. 이종 구조 내외부 표면에는 환원반응을 일으키는 백금과 산화반응을 일으키는 이리듐산화물이 각각 공간적으로 분리돼 더해졌다. 

이산화티타늄이 자외선을, 질화탄소가 가시광선을 각각 흡수하기 때문에 이 광촉매는 가시광선과 자외선 영역에서 모두 작동한다는 게 특징이다. 또, 분리된 백금과 이리듐산화물에 의해 전자와 정공이 각자 반대 방향으로 이동함으로써, 전하 재결합이 억제되는 동시에 표면 반응속도가 높아졌다.

연구 결과, 이 광촉매의 수소생산 효율은 기존의 백금/이산화티타늄 광촉매의 12배에 달하는 것으로 조사됐다. 기존 광촉매의 한계를 극복한 이 연구성과는 태양에너지를 활용한 청정에너지의 생산 가능성을 한층 높인 결과로 학계의 이목을 끈다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 선도연구센터사업, 한국연구재단 글로벌 R&D 기반구축사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

이현건 기자 다른기사 보기