투명전극(FTO) 위에 구리산화물 층을 먼저 입히고 그 위에 구리 비스무스 산화물 층(붉은색)을 만들었다/제공 아주대

아주대 조인선 교수가 한국화학연구원 신성식 박사팀과 함께 태양광으로 기존보다 4배 이상의 효율이 나오는 수소 생산 전극소재를 개발했다.
연구팀은 유리기판 위에 투명전극, 구리산화물, 구리 비스무스 산화물을 차례로 쌓은 광전극을 만들어 3.5㎃/㎠의 높은 광전류 값을 얻어냈다.
연구팀이 선택 한 구리 비스무스 산화물은 저렴하면서 광전류 값이 높고 촉매특성이 우수해 최적의 수소전극 소재다.
일반적으로 산화물은 전극으로 이용할 때 얇은 막(박막) 형태로 만드는 과정에서 생겨나는 빈틈이나 불순물 그리고 작은 박막입자로 인한 낮은 광전류가 문제로 등장했다.

치밀하고 입계 크기가 커 빛을 흡수해 생성된 전자·정공들의 재결합을 막아 기존 대비 2배 이상 높은 광전류를 생산할 수 있다/제공 아주대 

연구팀은 구리 비스무스 산화물이 만들어지는 속도를 조절하는 새로운 용액공정을 개발하고 이를 이용해 고품질의 구리 비스무스 산화물 박막을 합성했다.
산화물 결정입자의 생성속도를 제어해 치밀한 미세구조를 만드는 한편 입자 크기를 크게 성장시켰다.
박막화 과정에서 생길 수 있는 빈틈이나 불순물도 크게 줄일 수 있었다.
전기영동법이나 스프레이 코팅법, 졸겔법 등 기존 용액공정으로 만들어진 박막에 비해 전하 재결합을 크게 낮춰 광전환 효율이 4배 가까이 향상됐다.
이는 현재까지 보고된 모든 산화물 수소 전극 보다 높은 값이다.
전 처리 공정에서 용매의 증발속도와 전구체 분해속도를 제어, 결정 입자의 밀도와 이들의 성장 속도를 제어한 결과다.
기존 방식들이 주로 너무 낮거나 빠른 속도를 이용한 것과 차별화한 것이다.
연구팀은 "상용화를 위해서는 추가적 효율 향상과 안정성 향상, 큰 면적으로 만드는 기술이 필요한 만큼 관련 연구를 지속할 계획"이라고 밝혔다.

수산화나트륨(NaOH) 전해질에 담겨있는 구리 비스무스 산화물(파란색 전극)은 태양광을 흡수해 전자·정공을 생성, 전자는 전극 표면에서 물과 반응해 수소를 생산하고 정공은 백금 전극(초록색 전극)으로 이동돼 산소기체를 발생시킨다/제공 아주대 

이번 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 '나노에너지'에 지난 4일 게재됐다.

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