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서울시립대 김혁 교수 공동 연구팀, 세계 최초 대면적 저조도 광전지 기반 해수 물분해 수소생산 기술 개발

중앙일보

입력

최효정 박사과정 학생 (서울시립대), 김혁 교수 (서울시립대), 한혁수 교수 (건국대), 정찬엽 박사 (한국세라믹기술원), 엔흐바야르 엔흐툽신 박사과정 학생 (건국대), 여승환 박사 (한국원자력연구원)

최효정 박사과정 학생 (서울시립대), 김혁 교수 (서울시립대), 한혁수 교수 (건국대), 정찬엽 박사 (한국세라믹기술원), 엔흐바야르 엔흐툽신 박사과정 학생 (건국대), 여승환 박사 (한국원자력연구원)

서울시립대학교(총장 원용걸) 전자전기컴퓨터공학부 김혁 교수 공동 연구팀이 실내조명만으로 바닷물을 직접 연료로 사용해 수소를 발생시킬 수 있는 핵심 소재 및 소자 기술을 개발했다.

표지논문 사진

표지논문 사진

건국대 미래에너지공학과 한혁수 교수, 한국세라믹기술원 정찬엽 박사, 한국원자력연구원 여승환 박사와 공동으로 수행한 이번 연구 결과는 2023년 5월 25일, 권위적인 학술지인 와일리(WILEY)출판사의 Advanced Functional Materials(Impact factor: 19.924)에“Surface Reconstruction of Ni-Fe Layered Double Hydroxide Inducing Chloride Ion Blocking Materials for Outstanding Overall Seawater Splitting”이라는 제목으로  표지 논문에 게재됐다.

연구팀은 기존의 수전해 시스템이 정수된 물을 사용하는 것과 달리 바닷물을 직접 전기분해해 그린 수소를 생산할 수 있는 핵심 양극 소재를 개발했다. 또한 대면적 저조도 광태양전지와 연계해 실내에서 사용되는 조명수준으로 낮은 최소한의 광에너지를 활용, 바닷물에서 수소를 생산할 수 있는 재생에너지연계 시스템에 성공적으로 적용했다. 이를 활용하면 에너지 발전시설이 부족한 도서지역과 일부 해안가에서도 수소를 자가생산할 수 있게 된다.

해수를 활용한 수소생산 촉매 설계 모식도

해수를 활용한 수소생산 촉매 설계 모식도

해수환경에서 수전해 양극 소재의 내구성 및 선택성을 확보하고자 니켈철 층상이중수산화물 촉매 소재의 표면을 플라즈마를 활용해 개질했다. 표면 개질 후 니켈철 층상이중수산화물 표면에 염소 이온의 흡착을 효과적으로 억제시킬 수 있는 금속상을 형성했으며, 형성된 금속상은 수전해 반응 시 음극 반응에 대한 활성도를 증가시킬 수 있는 것을 확인했다. 따라서 개발된 촉매 전극은 해수 환경에서도 높은 효율, 내구성 및 선택성을 지니고 그린 수소를 생산할 수 있다.

대면적 저조도 광전지 설계 및 구동 사진

대면적 저조도 광전지 설계 및 구동 사진

특히 유기반도체를 활용해 대면적 광전지를 제조하는 안정적인 반도체 공정을 개발해 태양광뿐만 아니라 실내 LED를 이용한 3000 lx 의 저조도(슈퍼마켓의 조명 밝기 수준)에서도 전기 생산이 가능한 광전기를 제작해 365일 하루 24시간 동안 끊임없이 안정적으로 그린 수소를 생산할 수 있게 되었다. 이와 같은 자가발전 방식의 전력 인프라도 동시에 개발해 삼면이 바다로 둘러싸여 있어 해안가 지대가 많고 도서지역이 많은 우리나라에 적합한 〈에너지 독립형 그린 수소 생산 시스템〉의 원천 기술을 확보했다.

김혁 교수와 한혁수 교수는“연구팀에서 개발한 소재 및 소자는 담수를 사용하지 않고 해수를 직접 연료로 사용해 수소를 발생시킬 수 있으며, 해상에서 얻을 수 있는 최소한의 광에너지와 연계해 수소생산 시스템을 구축할 수 있기 때문에 도서 산간지역에 그린 수소 생산 거점을 확보하는데 크게 기여할 것”이라고 전했다.

해안가에서 대면적 저조도 광전지를 이용하여 바닷물을 물분해하고 수소를 생산하는 시연

해안가에서 대면적 저조도 광전지를 이용하여 바닷물을 물분해하고 수소를 생산하는 시연

연구에는 서울시립대 최효정 박사과정, 건국대 엔흐바야르 엔흐툽신 박사과정, 한국원자력연구원 여승환 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 한국연구재단 중견연구자지업사업, 과학기술정보통신부 시스템반도체 융합전문인력육성사업, 한국산업기술진흥원 차세대 시스템반도체 설계 전문인력양성사업, 한국생산기술연구원 원천기술개발사업(소프트 로보틱스 원천기술개발)의 지원으로 수행됐다.

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