식물 엽록소와 같은 역할을 하는 염료로 손실 없이 전하를 전달, 외부 전력 없이 태양광만으로 수소나 과산화수소를 생산하는 전극이 나왔다.

울산과학기술원(UNIST)은 화학과 권태혁 교수, 에너지과학과 장지욱 교수 연구팀이 전하 전달 손실은 줄이고 내구성을 높인 '염료 감응 인공 광합성 전극'을 개발했다고 7일 밝혔다.

인공 광합성 전극은 햇빛을 받아 물에서 수소, 과산화수소 등을 생산한다. 그 중 염료 감응 인공 광합성 전극은 유기 염료가 식물 엽록소와 같은 역할을 하는 전극으로, 납과 같은 유해 물질이 없다.

연구팀은 유기 염료 층과 레독스 매개체라는 물질을 니켈 포일로 감싸 매립하는 방법으로 전극을 만들었다.

이 전극 구조에서는 빛을 받은 염료에서 생성된 전하가 한 번에 이동하는 것이 아니라 염료, 레독스 매개체, 니켈 포일, 촉매 순서로 차례로 이동한다.

서로 다른 물질을 단계적으로 거치면서 에너지 차이에 따라 계단을 한 칸씩 내려가듯 이동해 전하가 되돌아가거나 중간에 소멸하는 일을 줄일 수 있다.

식물 잎 엽록소에서 생긴 전하가 여러 전자 전달 단백질을 거치며 낮은 에너지 단계로 순차적으로 전달되기 때문에 손실 없이 최종 반응까지 도달하는 것과 같은 원리다.

니켈 포일은 유기 염료가 액체 수계 전해질과 직접 닿는 것을 막아 주는 역할도 한다.

개발된 인공 광합성 전극은 물 분해 반응에서 98% 패러데이 효율을 기록했는데, 이는 염료가 만든 100개의 전하 중 약 98개가 실제 화학 반응에 잘 도달했다는 의미다.

전극을 과산화수소를 생산하는 인공 광합성 시스템에 적용한 결과 외부에서 전압을 걸지 않고도 태양광만으로 4.15%의 높은 태양광-연료 변환 효율(STF)을 달성했다. 이는 세계 최고 수준 효율이라고 연구팀은 설명했다.

또 150시간 동안 성능 저하가 발생하지 않았다.

권태혁 교수는 "전극의 계면 설계를 통해 염료 감응형 시스템 효율과 수명 문제를 동시에 보완한 사례"라며 "유해 물질 없는 친환경 시스템으로 고부가 가치 화학 원료를 생산할 수 있는 기술적 토대를 마련했다"고 말했다.

연구 결과는 재료 분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'(Advanced Functional Materials)에 실려 4월 13일 출판됐다.