문주호 교수 연구팀이 카이랄 산화물의 증착 메커니즘을 규명

카이랄성 전이 메커니즘 규명해 금속산화물 광전극 개발 성공

교신저저 문주호 연세대 교수, 제1저자 임하영 , 제1저자 마선일

자연의 무한한 에너지인 태양광 에너지와 무한한 자원인 물을 이용하여 수소를 생산하는 ‘그린 수소’ 생산 기술은 탄소 배출이 없는 친환경 미래기술로 최근 크게 각광받고 있다. 그린 수소의 상용화를 위해서는 수소의 생산 단가를 낮추는 것이 중요하기 때문에 저가 재료와 공정의 활용이 가능한 광전극을 이용한 광전기화학 시스템 개발 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나, 기존 광전극 개선 방안은 전자를 단순하게 전하 운반체로 본다는 점에서 나노구조화, 전도성 향상 등의 전략으로 한정되어 있었다. 이에 최근 새롭게 스핀을 제어하여 수전해의 병목현상으로 작용하는 산소 발생 반응의 효율을 증진시키는 연구가 제시되었다. 스핀을 제어하는 방법 중 카이랄 물질을 이용하는 방식은 외부 자기장 인가 없이 쉽게 스핀을 제어할 수 있으므로 광전극 적용에 적합하다. 기존 보고들은 카이랄 물질을 광전극에 적용한 경우에는 구동 안정성이나 촉매 활성이 떨어지는 유기 재료를 사용했기 때문에 성능에 한계가 있었다. 국내 연구진이 태양광을 흡수해 물에서 수소를 생산하는 광전극의 성능 향상을 이끌 카이랄* 산화물 촉매 적용 기술을 선보였다.

* 카이랄성(Chirality) : 비대칭성을 가리키는 용어로 거울상 영상에 서로 겹쳐질 수 없는 분자 구조

한국연구재단은 연세대학교 문주호 교수 연구팀이 카이랄* 산화물의 증착 메커니즘을 규명하고, 이를 통해 성능이 향상된 금속산화물 기반의 카이랄 광전극을 개발했다고 밝혔다.

용액 내 분자 구조 (나) 카이랄 광전극 구조와 원리

광전극을 이용한 태양광 물분해 시스템은 재료가 저렴하고 시스템이 단순해 이론상으로는 기존 태양전지-전기분해 시스템보다 경제성과 효율성이 높지만, 전극 내 전자를 단순한 전하 운반체로만 인식하기 때문에 실제 성능 향상에는 한계가 있었다.

이에 광전극에 카이랄 물질을 접목하는 양자역학적 관점의 개선 방안이 제시됐지만, 구동 안정성이 낮을 뿐만 아니라 대상이 촉매반응 활성을 가진 유기물질에 한정되어 기존 한계를 극복하기 어려웠다.

연구팀은 금속 산화물 기반의 카이랄 물질을 광전극에 적용하고자 금속 산화물 합성에서의 카이랄성 전이 메커니즘을 규명하고, 이를 바탕으로 새로운 광전극을 개발하였다.

연구팀에 따르면 금속 산화물 기반의 카이랄 재료는 유기물에 비해 높은 내화학성과 우수한 전기화학적 특성을 보이며 광전극과 이종접합을 형성하여 전하 분리 효율을 증진할 수 있다.

연구팀은 이 같은 원리를 기반으로 장기 구동 안정성과 높은 촉매반응 활성을 가진 금속 산화물 기반의 카이랄 재료를 합성하고 카이랄 금속 광전극을 개발하였다.

즉, 금속산화물에 카이랄성을 부여하고 전자의 스핀을 제어함으로써 전해질-촉매 계면에서의 재결합을 억제하고 광전류밀도를 향상시키자 성능을 저해하던 부산물이 억제되고 산소 발생 효율은 증진되었다.

광전극에서의 카이랄 금속 산화물의 효과

실험 결과 새로운 카이랄 금속 광전극은 광전류밀도와 O2 생성 효율이 각각 약 23% 및 20% 향상되었다. 또한, 80시간 연속 구동 시 카이랄 전극의 효율은 85.1%로 비카이랄 전극 73.2% 보다 높았다.

문주호 교수는 “증착 용액 내 카이랄성 전이에 대한 이해는 다양한 기판과 재료에 활용이 가능해 광전극 뿐만 아니라 촉매, 이차전지, 디스플레이 등 보다 넓은 범위의 애플리케이션에 적용이 기대된다”라며 “이번 성과가 산업화 규모에서 구현 가능하도록 더 높은 카이랄성 효과와 촉매 활성을 가진 물질 개발에 매진할 계획이다”라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 환경 분야 국제학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 1월 25일 게재되었다.

□연구개요

1. 연구의 필요성

○ 전 세계적으로 2050 탄소 중립을 지향하며 화석 연료 기반 사회에서 신재생 에너지 기반 사회로 전환하려는 노력이 이루어지면서 대체 청정에너지로 수소연료가 지목받고 있다. 기존 수소 생산 방식은 많은 양의 이산화탄소를 배출하기 때문에 궁극적으로는 친환경 생산 방식인 ‘그린수소 생산’을 위한 기술 개발이 필요하다.

○ 대표적으로 무한 에너지원인 태양광을 흡수하여 물을 분해하여 수소를 생산하는 ‘태양광-수소 생산시스템’이 주목받고 있다. 다양한 시스템의 태양광 물분해 소자에 관한 연구가 이루어지고 있는 가운데, 광전극 기반 광전기화학 시스템은 저가 재료 활용, 시스템의 단순성으로 태양전지-전기분해 시스템보다 생산 단가를 낮추기 수월하고, 우수한 효율을 얻을 수 있다.

○ 하지만 기존의 성능 개선 방안은 전자를 단순한 전하 운반체로만 인식하기 때문에 개선에 한계가 있어 낮은 개시전압과 구동 안정성으로 이론 대비 낮은 효율을 갖는다. 이에 전하의 스핀 상태를 제어하여 비약적인 성능 개선을 이루어낼 새로운 패러다임의 양자역학적 관점 전략이 필요하다.

2. 연구내용

○ 본 연구는 카이랄* 재료의 CISS** 효과를 통해 스핀을 제어하여 성능을 개선하고자 하였다. 기존의 카이랄 광전극 연구는 유기 카이랄 분자를 사용하였기 때문에 낮은 구동 안정성과 촉매반응 활성을 가졌다. 이에 본 연구는 장기 구동 안정성과 높은 촉매반응 활성을 가진 금속 산화물 기반의 카이랄 재료 합성에 성공하였다.

* 카이랄성(Chirality) : 거울상 영상에 서로 겹쳐질 수 없는 분자 구조

** CISS(Chiral induced spin selectivity)효과 : 카이랄 분자에 의한 스핀 제어 효과

○ 금속 산화물 기반의 카이랄 재료는 유기물 대비 높은 내화학성과 우수한 전기화학적 특성을 갖고, 광전극과 이종접합을 형성하여 전하 분리 효율을 증진 시킬 수 있다. 여기에 카이랄성을 부여하여 전자의 스핀을 제어하면 전해질-촉매 계면에서의 재결합을 억제하고 후방 산란을 방지하여 광전류를 향상할 수 있다. 또한, 약 1eV 높은 에너지의 단일항 산소 분자와 부산물인 과산화수소의 생성을 억제하여 과전위를 감소시키고 산소 발생 효율을 증진할 수 있다. 과산화수소는 반응성이 높아 소자를 부식시킬 가능성이 있으므로 억제로 인한 안정성 개선 효과도 얻을 수 있다.

○ 실험을 통해, CISS 스핀 제어 효과로 약 23% 향상된 광전류밀도(1.23VRHE 기준)와 약 20% 향상된 O2 생성 효율을 갖는 것을 확인하였다. 또한, 80시간 구동 시 카이랄 전극과 비카이랄 전극은 각각 85.1%와 73.2%의 효율이 유지되는 것으로 확인하였다.

○ 추가로, 액체 라만 분석을 통해 증착 전구체의 유기 분자의 카이랄성이 액체 내 이온의 결합 구조를 달리하고 이를 통해 전기증착 중 산화물에 카이랄성이 부여된다는 메커니즘을 체계적으로 규명하였다.

3. 연구성과/기대효과

○ 본 연구는 유기 카이랄 분자로부터 카이랄성을 부여하는 메커니즘을 최초로 규명하였으며, 광전극에서 카이랄 금속 산화물의 CISS 효과를 입증했다는 것에 의의가 있다.

○ 용액 내 카이랄성 전이 원리에 대한 이해를 기반으로 인듐 주석 산화물(ITO) 전도성 기판뿐 아니라 비스무스 바나데이트(BiVO4) 등 다양한 기판에의 활용이 가능해졌다. 또한, 다른 유기 카이랄 분자와 금속 이온에 적용되어 보다 다양한 카이랄 재료에 광범위하게 응용될 수 있을 것이다.

○ 이에 본 연구는 카이랄 전이 이해를 바탕으로 CISS 스핀 제어 효과를 산소 발생 반응뿐 아니라 더 넓은 범위의 애플리케이션에 적용할 수 있을 것으로 보며, 수전해 상용화에 이바지할 수 있는 도약연구가 될 것으로 기대된다.

한국연구재단 홍보실 제공