심우영 교수팀, 그린수소 시장 선점할 실리콘 광촉매 개발

층상 구조 실리콘 이용해 최적의 광촉매 설계

화학 분야 국제 학술지 ‘Journal of the American Chemical Society’ 게재

공과대학 신소재공학과 심우영 교수 연구팀은 독특한 표면 구조를 가지는 층상 구조 실리콘을 이용해 태양광 기반의 고효율 수소 발생 광촉매를 개발했다. 이는 기존 금속화합물 기반 광촉매보다 효율적으로 그린수소를 생성하는 친환경 소재 실리콘 광촉매로, 이를 활용해 그린수소 시장을 선점할 수 있을 것으로 기대된다. 

기존의 금속화합물 기반 광촉매는 태양광으로 활용하기 어렵거나 독성이 있어 친환경이지 않다는 단점이 있다. 최근 이를 극복하기 위해 태양광 활용에 유리하고 생산 과정에서도 유해 화학물질을 배출하지 않아 친환경 광촉매로 주목받고 있는 실리콘 소재를 사용한 연구가 시도되고 있다. 그러나 기존 실리콘 광촉매는 금속화합물 기반 광촉매에 비해 수소 생산 효율이 낮은 본질적인 한계가 있어 이를 해결할 수 있는 새로운 방식이 필요한 상황이다.

이에 연구팀은 실리콘의 층상 구조화를 통해 태양광 흡수는 물론 수소 발생에서도 높은 효율을 가지는 광촉매를 개발하고 작동 원리를 규명했다.

[그림 1. 독특한 표면을 가지는 실리콘 층상 구조체의 개략도]

먼저 실리콘 화합물에서 특정 원소 제거를 통해 층상형 구조의 실리콘 화합물을 얻은 후, 물질의 계면 제어로 독특한 표면을 가지는 층상 구조의 실리콘을 개발했다. 연구팀은 일반적인 표면보다 독특한 표면 구조가 높은 수소 발생 효율을 가지는 것을 실험 및 시뮬레이션을 통해 증명했으며, 측정된 수소 발생 효율도 실리콘 소재 중 가장 높은 것으로 확인했다. 

또한, 태양광 에너지의 약 4%인 자외선만을 흡수할 수 있는 기존 금속화합물과 다르게 자외선, 가시광선을 모두 흡수할 수 있어 태양광 에너지의 약 44%를 활용할 수 있는 광 흡수 능력을 보였다. 

[그림 2. 태양관 기반 수소 발생 광촉매의 성능 비교]

이번 연구는 낮은 효율로 인해 사용이 제한됐던 비금속 소재를 독특한 표면 구조를 가지는 광촉매로 만들어 기존 광촉매 시장에 없던 소재를 응용해 분야를 개척했다는 데 의의가 있다. 

심우영 교수는 “이번 연구 성과가 실용화되면 강력한 대체 에너지원으로 주목받고 있는 그린수소 시장의 점유율 확보가 가능할 것으로 예상된다.”고 설명했다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 화학 분야 국제 학술지 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 10월 6일 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Nontypical Wulff-Shape Silicon Nanosheets with High Catalytic Activity
● 논문주소: https://doi.org/10.1021/jacs.3c07768