KAIST 오지훈 교수 “다양한 반도체에 적용가능한 플랫폼”
실리콘(Si) 광전극 모식도 및 전자현미경 사진.KAIST 제공
KAIST EEWS 대학원 오지훈 교수팀이 금 나노 다공성 박막과 이를 촉매로 사용할 수 있는 실리콘 기반의 새로운 광전극 구조를 개발했다고 23일 밝혔다.
광전기화학적 이산화탄소 변환은 태양광 에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 연료로 바꿔주는 기술이다.
금(Au)은 이산화탄소를 일산화탄소로 환원시키는 전기 촉매다. 그러나 과전압이 비교적 높고 일산화탄소 생산성이 낮아 수소가 많이 발생하는 문제점을 가졌다.
연구팀은 금을 기판 재료에 박막형태로 증착, 이를 양극산화 처리한뒤 연속적으로 환원처리해 나노 다공성 구조를 갖는 금 박막을 제작했다.
이 금 박막은 480mV(밀리볼트)의 과전압에서 90% 이상이 이산화탄소 환원에 사용되는 높은 전류 효율을 보였다.
기존의 나노구조 촉매는 0.1mm의 두꺼운 호일을 이용해 제작된 반면 연구팀의 박막은 약 5만 배 얇은 200nm(나노미터) 수준이다.
연구팀은 이 금 박막을 촉매로 활용하기 위해 새로운 실리콘(Si) 광전극 구조를 개발했다.
금 박막을 표면 전체에 연결될 수 있는 메쉬 패턴 구조로 만들어 광전극에 영향을 주지 않고도 독립적으로 표면의 전극 접합을 통해 전기화학처리를 가능케 했다.
이 광전극은 실리콘에서 생성된 광전압과 금 박막층의 높은 촉매 특성이 작용돼 기존의 일산화탄소 변환을 위해 필요한 에너지보다 더 낮은 양으로도 변환이 가능했다.
오지훈 교수는 “다양한 반도체 및 촉매 재료도 쉽게 적용 가능한 플랫폼 역할을 할 수 있을 것”이라며 “다른 연구자들이 우리 연구팀의 구조를 적용해 이산화탄소 광전환의 광변환 효율을 향상시킬 수 있을 것”이라고 말했다.
논문의 1저자인 송준태 박사는 “생성물의 평형 전위보다 더욱 낮은 전위조건에서 이산화탄소 환원을 하는 결과를 낸 것은 처음”이라며 이번 연구의 의의를 밝혔다.
이 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 2월8일자 내면 표지 논문에 게재됐다.
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