햇빛 받아 수소 만드는 ‘인공나뭇잎’ 신기술 개발

울산과학기술원 이재성 에너지 및 화학공학부 교수와 조임현 박사, 김진현 연구원(오른쪽부터) 등 연구팀은 식물의 광합성 원리를 본따 물을 분해해 수소를 얻는 ‘인공나뭇잎’을 개발했다.

울산과학기술원 이재성 연구팀 논문, 국제학술지에 게재
1세대보다 값싸고 효율 높아 온난화 대안에너지 청신호

물속에서 햇빛을 받아 수소를 생산하는 ‘인공나뭇잎’의 효율을 높이는 새로운 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 15일 이재성 에너지 및 화학공학부 교수 연구팀이 햇빛을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 인공나뭇잎의 효율을 높이고 제작단가는 낮추는 새로운 방법을 개발했다고 밝혔다. 연구팀의 논문은 미국화학회(ACS)가 발간하는 저명 학술지 <에이시에스 나노>(ACS Nano)에 게재됐다.

인공나뭇잎은 식물의 광합성을 본따 물을 수소와 산소로 분해해 화석연료를 대체할 수소를 얻는 방법이다. 식물은 뿌리에서 물을 흡수하고 잎에서 이산화탄소를 받아들여, 잎에서 만들어낸 수소와 탄소를 결합해 영양분을 만든다. 수소는 햇빛을 받은 잎이 물을 산소와 수소로 분해하는 과정에 생성된다. 이른바 광합성의 원리다.

인공나뭇잎은 2011년 미국 하버드대의 대니얼 노세라 교수가 처음 제안한 것으로, 실리콘 태양전지 삼중접합 방식을 이용했다. 하지만 이 방식은 태양전지 단가가 높은 데다 효율도 태양광 전환효율이 3%밖에 안되는 한계가 있었다. 전문가들은 일반적으로 실용화를 위한 효율을 10% 선으로 보고 있다.

이재성 교수 연구팀은 우선 광촉매 전극 1개와 태양전지 1개를 이용하는 이중접합 구조를 만들어 제작단가를 낮췄다. 또한 광촉매를 이루는 각각의 소자도 다른 물질보다 싸고 합성이 쉬운 물질로 대체했다. 광촉매에는 친환경적인 ‘비스무스 바나데이트 산화물’(BiVO₄)를 사용했다.

이 교수는 “새로운 형태의 인공나뭇잎은 각 요소가 선으로 연결되지 않은 단일구조체로, 자연에서 가장 뛰어난 에너지 흡수·저장 장치인 식물의 광합성과 가장 가까운 형태를 갖춘 것”이라고 말했다. 태양광 전환효율도 5%까지 끌어올렸다. 그는 “인공나뭇잎으로 수소를 생산하는 기술이 실현되려면 효율과 가격 경쟁력이 모두 달성돼야 한다. 이번 연구는 중요한 전환점을 마련한 것”이라고 덧붙였다.

이근영 선임기자 [e-mail]