성균관대학교(총장 신동렬)는 신소재공학과 조형균 교수 연구팀(제 1저자 김동수 연구원)이 수소에너지를 생성하는 광전극의 상용화를 위해 차세대 메모리로 주목 받고 있는 저항변화메모리소자(ReRAM)의 전도성 필라멘트 기술을 광전극에 도입하는데 성공했다고 밝혔다. 

 연구팀은 누구도 시도하지 않은 전도성 필라멘트의 기술력을 광전극에 융합하여 장시간 안정성과 높은 광전류를 동시에 얻어 상용화의 가능성을 확인하고, 무한한 청정에너지인 태양광과 물을 기반으로 그린수소를 생성할 수 있는 광전극의 효율을 이론값 대비 80% 수준까지 달성했다.

 친환경 수소에너지는 태양광에너지를 흡수하여 물을 그린수소로 변환함으로써 얻을 수 있다. 이때 광전극은 태양광에너지를 흡수하여 전자와 정공을 생성하여 광전류를 형성한다. 하지만, 기존의 광전극은 의도하지 않은 자발적 광부식이 발생하여 장시간 안정성을 보장할 수 없었다. 이를 해결하기 위해 내식성이 뛰어난 이산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 등의 표면보호층 적층기술이 연구되었으나, 표면보호층의 낮은 전도성 때문에 극심한 광전류의 손실이 야기된다. 결과적으로 광전극의 장시간 안정성과 수소변환 효율이 상충관계(trade-off)를 가지게 되어 상용화에 걸림돌이 되어왔다. 

 이에 조형균 교수 연구팀은 저항변화메모리 소자에서 반도체의 전도성을 인위적으로 제어할 수 있는 전도성 필라멘트 기술력을 광전극에 적용하였다. 산화구리(Cu2O) 기반의 광전기화학셀에 필라멘트 기술 도입은 세계 최초 시도이며, 연구진은 전도성 필라멘트의 메커니즘까지 규명하였다. 광전극 내부에 산소공공(Oxygen vacancy)으로 구성된 필라멘트를 전기화학적방법으로 형성하여 이산화티타늄(TiO2)의 전도성을 증가시키며 광전류를 11.9mA/cm2(산화구리 광음극 world record, 이론값 대비 약 80%) 까지 달성하였고 약 100시간 이상의 장시간 안정성까지 동시에 보장하였다. 또한 수소 변환 촉매인 백금(Pt)을 전도성 필라멘트 영역에 광전기화학증착방법을 통해 선택적으로 성장시키는 기술도 효율 향상에 큰 기여를 하였다.

 조형균 교수는 “본 연구는 태양광과 물을 통해 무한한 그린수소의 시대를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다. 또한 메모리 반도체에 사용되어온 기술을 수소 생산에 적용한 창의적인 아이디어로 융합연구의 좋은 본보기가 된 결과이다”고 말했다. 

 본 연구에서는 산화구리 기반의 광전극에 전기화학적방법으로 영구적인 전도성 필라멘트를 인위적으로 형성하여 기존의 광전극과 비교하여 광전류를 10배 이상 증가시켰다. 대면적화, 고효율, 저비용을 가능케 하는 전기화학증착 방법을 기반으로 구성된 광전기화학셀은 시간당 188μmol/cm2의 그린수소를 생성하였으며, 광전극에서 생성된 전하가 인위적 필라멘트를 통하여 가속전달 되는 전도성 메커니즘을 새롭게 규명하였다.

 본 연구는 국가연구과제 "광전기화학반응의 이론적 한계를 초월한 신개념 소재/공정/구동 모델 연구(Design of novel material/process/operation capable of exceeding theoretical limitations of the photoelectrochemical reaction”(No.2021R1A2C3011870)의 지원을 받아 수행되었으며, 화학물리분야(CHEMISTRY, PHYSICAL) 분야 상위 3.09% 이내의 세계적인 학술지인 ‘Advanced Energy Materials (IF 29.368)에 9.13(월) 온라인 게재 및 9월호 표지를 장식했다.
   ※ 논문명 : Towards simultaneous achievement of outstanding durability and photoelectrochemical reaction in Cu2O photocathodesviaelectrochemicallydesignedresistiveswitching

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