생체모방형 하이드로젤 보호 기술 개발

- 하이드로젤 보호막 도입으로 광전극 구동시간 증가 확인
- 2050 탄소중립 실현에 실질적인 기여 기대

온실가스 발생 없이 태양 빛으로 물에서 수소 생산이 가능한 광전극. 이러한 광전극의 내구성을 높일 수 있는 생체모방형 하이드로젤 보호 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
  한국연구재단(이사장 이광복)은 문주호 연세대학교 신소재공학과 교수와 이형석 연세대학교 기계공학과 교수 연구팀이 광전극의 구조 손상을 방지하고 구동 시간을 획기적으로 증가시킬 수 있는 신개념 하이드로젤 기반 보호 기술을 개발했다고 지난달 10일 밝혔다.
  광전극을 활용한 물 분해 기술은 그린 수소를 생산할 수 있는 친환경 미래기술로, 광전극의 효율을 높이려는 많은 시도가 이루어져 왔으나 광전극의 부식, 표면 촉매의 탈착 등으로 인한 내구성 저하 문제는 여전히 실용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다. 이에 연구팀은 해양 식물 표피층의 ‘하이드로젤’ 보호막이 내부 세포 손상을 억제한다는 것에 주목, 물속에서 작동하는 광전극의 표면을 이와 유사하게 설계하여 하이드로젤 보호막을 사용하면 광전극의 구동 시간이 획기적으로 증가함을 입증하였다. 즉, 하이드로젤의 기계적/구조적 특성 최적화를 통해 장시간 구동이 가능한 보호막 조건을 도출하여 광전극 구동 시간을 향상시키는데 기여했다. 또한, 하이드로젤의 나노그물망이 광전극의 부식과 표면 촉매의 탈착을 동시에 억제함으로써 내구성을 높일 수 있음을 밝혔다.
문주호 교수는 “광전극의 부식과 표면 촉매 탈착을 동시에 억제하며 다양한 광전극에 적용 가능한 저가 하이드로젤 보호 기술을 최초로 제시했다는 데에 의의”가 있다고 전했다. 또한, 이형석 교수는 “나노그물망 형태의 하이드로젤 보호막이 광전극의 수소 생산에 미치는 영향을 규명하고, 보호막의 최적화를 통해 전극 수명을 연장시켰다는 것에 의의가 있다”고 덧붙였다.
  다만, 그린 수소 생산의 실용화를 위해서는 시스템의 반영구적 구동이 필수적이므로 광전극 및 하이드로젤의 특성 최적화에 대한 추가 연구가 필요하다는 설명이다.
  이번 성과는 광전극의 효율을 유지하면서 내구성을 크게 증가시킬 수 있는 원천 기술을 개발한 것으로, 광전극 종류와 무관하게 적용 가능하며 광전극의 내구성 저하 메커니즘 규명과 구동시간 향상 방법을 원리적으로 제시하고 있어, 향후 반영구적 그린수소 생산시스템 개발에 실마리를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
  과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구, 나노소재기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Nature Energy’에 6월 10일 온라인 게재됐다.

1. 연구의 필요성
전 세계 곳곳에서 체감되고 있는 기후변화는 이미 임계점을 넘어섰다고 할 수 있으며, 현재 화석 연료를 탈피하여 수소 중심 사회로의 패러다임 변화를 통해 탄소 중립을 실현하는 것은 더 이상 미룰 수 없는 인류의 최고 당면 과제이다. 하지만, 현재의 수소 생산 방식은 90% 이상이 온실가스를 배출하는 방법에 의존하기 때문에 탄소를 발생하지 않는 ‘그린수소 생산’이 궁극적으로 필요하며, 무한 에너지원인 태양광으로 물을 분해하여 수소를 생산하는 ‘태양광-수소 생산시스템’이 주목받고 있다.
  대표적인‘태양광-수소 생산시스템’은 고가의 태양전지와 전기분해 장치를 공간적으로 분리하여 연결한 복잡한 방식으로 비용 절감에 어려움이 있다. 반면, 광흡수층과 전기화학 촉매가 하나의 소자로 통합된 광전극 기반 광전기화학 시스템은 저가 재료를 활용하여 시스템의 복잡성과 생산 단가를 낮추면서 우수한 효율을 얻을 수 있지만, 약한 내구성 및 짧은 구동 시간이 실용화의 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.
  광전극 내구성 저하의 주요 원인은 ‘광흡수층의 광부식’과 ‘표면 촉매의 손상 및 탈착’이다. 대부분 광흡수층은 전해질과 계면을 형성할 때 광부식이 발생하기 때문에, 이를 억제하기 위해 이산화티타늄 (TiO2)과 같은 상부 보호층을 사용하고 있지만, 보호층 자체도 서서히 광부식에 의해 용해될 수 있어서 완벽한 보호가 어렵다. 또한, 촉매 위에 산화막과 같은 고체 물질을 코팅하는 보호 방식이 있는데, 내구성 향상 정도가 낮거나, 빛과 전해질 전달이 원활하지 못하여 오히려 광전극의 효율을 감소시키기도 하였다.

2. 연구내용
이번 연구는 하이드로젤 나노그물망이 해양 식물에 구조적 안정성을 부여한다는 점에 주목하여, 인공 잎(artificial leaf)이라 불리는 광전극 표면에 하이드로젤을 코팅함으로써 광전극 표면 구조 손상을 억제하고자 했다. 이를 위해, 저가 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide) 하이드로젤을 간단한 몰딩 방식으로 광전극에 코팅하였다.
  하이드로젤 보호막이 광전극 상부에 코팅되기 때문에, 생성된 수소 가스 버블이 보호막에 갇히지 않고 효과적으로 빠져나와야 한다. 버블이 효과적으로 빠져나오기 위한 조건을 탐색하기 위해, 초고속 카메라를 이용하여 생성된 수소 버블의 이동을 분석했다. 유한요소법을 통해 버블과 하이드로젤 사이 기계적 상호작용에 대해 해석하고, 버블에 의한 하이드로젤 파손을 이론적으로 예측했다. 이러한 분석을 통해, 하이드로젤의 기계적 특성이 광전기화학 반응에 미치는 영향을 고찰하여, 하이드로젤에 의한 광전극의 효율 및 구동시간을 극대화하였다.
  기 보고된 산화물 보호막 방식에서는 광전류가 감소하는 것과 달리, 최적 조건 하이드로젤이 코팅된 경우엔 초기 광전류가 약 20% 증가하였다. 하이드로젤 보호막 없이 1시간 이내에 광전류가 대부분 감소한 것과 달리, 보호막이 코팅된 경우 100시간 작동 이후에도 초기 대비 70% 수준의 광전류가 유지되었다.
  연구팀은 하이드로젤에 의한 광전극 구조 유지 메커니즘이 특정 물질에 기반한 것이 아니기 때문에, 하이드로젤 보호막이 다양한 광전극의 구조 유지에 도움이 될 것으로 판단하였다. 실험을 통해, 하이드로젤 보호막이 셀렌화안티몬(Sb2Se3) 광전극 뿐만 아니라 황화주석(SnS), 바나듐산 비스무트(BiVO4) 등의 광전극 위에서도 구조 및 광전류 유지에 효과적임을 확인하였다.

3. 연구성과/기대효과
이번 연구는 최초로 나노다공성 하이드로젤을 보호막으로 도입하여 광전극 내구성 저하의 고질적인 두 문제점을 동시에 해결한 이중 보호 기술이며, 생성된 수소 버블이 효과적으로 빠져나갈 수 있도록 보호막을 성공적으로 설계했다는데 그 의의가 있다.
  이러한 하이드로젤 보호 기술은 광전극의 우수한 효율을 유지하면서 내구성을 크게 향상시킬 수 있는 원천 기술이며, 다양한 재료로 제작된 광전극의 종류에 상관없이 광범위하게 응용될 수 있기 때문에 상당한 파급효과가 기대된다.
  또한, 광전극 내구성 저하 메커니즘을 규명하고, 구동시간을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법론을 원리적으로 제시하고 있어서 학문적 가치가 높다고 할 수 있다. 추후 하이드로젤 엔지니어링을 통해 반영구적 그린 수소 생산 시스템의 개발이 가능할 것으로 예상되고, 더 나아가 솔라 퓨얼 생산 등 인접 응용 분야에서 활용을 기대하며, 2050 탄소중립 실현에 실질적인 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

[그림 1] (가) 해조류 표면 구조 개요도 (나) 하이드로젤 코팅된 광전극 구조

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2022년 7월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>