다아라 매거진 _ 2017.10

기술뉴스

[Technical News]사막에서도 광합성 가능한 ‘인공 잎’개발

인공 광합성 효율성·경제성 높여 신재생에너지 상용화 기여

[Technical News]사막에서도 광합성 가능한 ‘인공 잎’개발 - 다아라매거진 기술뉴스


용기중 교수(포항공과대학교)·이승협 연구원(한국세라믹기술원) 연구팀이 잎의 광합성 기술을 모방해 극한 환경에서도 물을 분해하고 수소를 효율적으로 생산하는 스마트 인공광합성 기술을 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민)·한국연구재단(이사장 조무제)은 밝혔다.

식물의 광합성 원리를 이용한 인공광합성 연구는 물을 분해해 수소를 생산하거나 이산화탄소로부터 연료를 얻는 친환경 재생에너지 생산기술로, 청색기술(Blue Technology) 과학자를 중심으로 활발하게 진행돼 왔다. 하지만 지금까지 개발된 인공잎 시스템은 상용화 가능 기준인 태양에너지 변환효율의 10%에도 미치지 못하는 경우가 많았다.

사막과 같이 수분이 부족한 환경에서는 시스템이 제 기능을 발휘하지 못해, 더욱 경제적인 공정 개발과 함께 다양한 자연환경에서도 작동 가능한 효율적인 시스템 개발이 요구돼 왔다.

연구팀은 산소를 생산하는 촉매와 수소를 생산하는 촉매가 단일 표면에 증착된 형태로 소량의 물이 인공 잎 바닥면에 접촉하는 것만으로도 물 분해 반응이 가능하며, 물 위에 띄우는 방법으로 태양광 흡수 기능을 극대화한 인공 잎을 개발했다.

연구팀은 잎 형태의 박막형 태양전지와 물분해 촉매전극을 결합해 새로운 디자인의 일체형 인공잎 시스템을 개발하였다. 개발된 인공잎은 태양전지와 촉매전극 사이에 자유공간을 삽입함으로써 시스템의 무게를 줄여 물 위에 띄울 수 있으며, 이를 통해 태양광 흡수를 극대화 할 수 있었다.

또한 산소 생산촉매와 수소 생산촉매를 단일 표면에 증착함으로써 적은 양의 물이 촉매전극을 적시는 조건에 있어서도 물분해 반응이 일어날 수 있도록 유도했다. 이는 사막과 같이 물이 결핍된 조건에서도 극소량의 물 만으로도 인공잎의 작동이 가능하다는 것을 의미한다.

연구팀은 CIS 태양전지와 백금, 니켈-철 촉매를 이용해 수소변환효율 약 3%를 얻을 수 있었으며, 보다 고효율의 태양전지인 페로브스카이트 태양전지를 이용하는 경우 10% 이상의 변환 효율을 얻을 수 있었다.

용기중 교수는 “이번 연구는 물이 부족한 사막과 같은 극한 환경에서도 작동이 가능하고, 10% 이상의 수소변환 효율을 달성했다는 점에서 의미가 크며 향후 실제 자연 환경에서의 오염물질 정화, 휴대용 연료전지 개발 등 다양하게 응용될 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

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