11.2%의 효율을 가진 모듈형 인공광합성 장치가 개발돼 태양광으로 그린 수소을 직접 생산하는 등 장기 안정성 및 대면적 확장성을 확보했다.

UNIST(울산과학기술원) 에너지화학공학과 이재성·석상일·장지욱 교수팀이 태양에너지를 물 분해로 전환해 그린 수소를 직접 생산하는 모듈형 인공나뭇잎(인공광합성) 기술을 상용화 가능 단계로 끌어올렸다.

1㎠ 고효율 광전극 16개를 하나로 결합해 개발한 이 모듈은 별도 전력 없이 광에너지를 화학에너지로 전환해 수소를 생성하며, 모듈 전반의 ‘Solar to Hydrogen Efficiency(STH)’ 11.2%를 달성했다.

인공나뭇잎은 자연의 광합성을 모방해 태양광과 물만으로 수소를 생산하는 기술로, 그린 수소 생산 과정에서 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는다.

기존 태양전지 기반 전기분해(PV-EC) 방식과 달리 발전기와 전해조 간 에너지 손실이 없고, 설치 면적도 줄일 수 있다는 장점이 있다.

연구진은 Cl:FAPbI₃(염소 도핑 페로브스카이트) 광흡수층과 UV 저항성이 뛰어난 Cl:SnO₂ 전자수송층, 그리고 Ni-Fe-Co 합금 촉매(NiFeCo)를 조합해 1㎠ 단위 광전극을 제작했다.

이들을 4×4 배열로 연결한 모듈은 별도 외부 전원 없이도 태양광만으로 안정적인 수소 생산이 가능하며, 실험실 규모를 넘어 모듈 단위에서 상용화 기준인 10% 이상 효율을 넘어섰다.

특수 니켈 포일과 수지 봉지 기술을 적용해 수분·산소에 의한 광전극 손상을 최소화했다.

140시간 연속 작동 시험에서 초기 효율의 99%를 유지하며 고내구성을 입증했다.

이재성 교수는 “대면적 인공광합성 패널로 확장 가능해 상업용 수소 생산용 모듈 제작의 결정적 토대를 마련했다”고 강조했다.

이번 연구는 Nature Communications(IF 14.7)에 2025년 5월6일 자로 게재됐다. 과학기술정보통신부 기후변화대응사업, BrainLink 사업, 기초과학연구지원(IBS) 등을 통해 수행된 이 성과는 태양광 그린 수소 생산의 상용화 가능성을 크게 높였다는 평가다.