실내 LED 조명 빛만으로 물에서 수소를 생산하는 ‘인공 나뭇잎’ 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 약한 조명 환경에서도 광전기화학 반응을 유도해 수소를 생성하는 방식이다.

UNIST 에너지화학공학과 장지현 교수 연구팀은 19일 실내조명 조건에서 작동하는 광전극과 수소 생산 촉매를 결합한 인공 나뭇잎을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environmental and Energy)’에 지난달 16일 온라인 공개돼 정식 출판을 앞두고 있다.

기존 광전기화학 기반 수소 생산 기술은 주로 태양광을 활용해 왔다. 그러나 실내조명은 광 세기가 낮아 전하 생성과 분리 효율을 확보하기 어렵다는 한계가 있었다. 연구팀은 이러한 문제를 보완하기 위해 황화물(CdS) 소재 광전극에 이산화티타늄(TiO₂) 층을 접합한 구조를 설계했다. 이 구조는 생성된 양·음전하의 재결합을 줄여 제한된 전하를 수소 생성 반응에 활용하도록 돕는다.

또한 황화물 표면에 인산염(Pi)을 코팅해 강한 빛에서 발생하는 광부식 현상을 억제하고 전하 이동 속도를 개선했다. 생성된 전하는 뒷면의 3차원 니켈(3D-Ni) 촉매층으로 전달돼 물과 반응하면서 수소를 발생시킨다.

실험 결과, 외부 전압 없이 실내조명만으로 119~120 마이크로암페어(µA/cm²)의 광전류가 측정됐다. 이는 백금(Pt) 촉매 사용 시 보고되는 121 µA/cm²와 유사한 수준이다. 또한 12시간 작동 후에도 초기 성능의 94%를 유지했다. 광전류는 수소 생산 가능량을 가늠하는 지표로 활용된다.

연구팀은 85cm² 크기 인공 나뭇잎 4개를 직렬로 연결한 모듈을 제작해 실내조명 아래에서 총 5밀리암페어(mA)의 광전류를 기록했다고 설명했다. 3차원 니켈 촉매는 비교적 저렴하고 인쇄 공정을 통해 제작할 수 있어 대면적 확장 가능성이 있다는 점도 확인됐다.

이번 연구는 ‘미세플라스틱 대응 화공·바이오 융합 공정 연구센터’ ERC 과제와 중견연구과제, 이노코어사업의 지원을 받아 수행됐다.