태양광 수소 생산 효율 향상 'TiO₂ 차단층' 작동 원리 규명

충북대 화학과 손운용 교수 연구팀이 태양광을 이용한 수소 생산의 효율을 높일 수 있는 산화철(hematite) 광전극의 핵심 기술인 이산화티타늄(TiO₂) 차단층의 작동 원리를 정량적으로 규명하는 데 성공했다.

연구에는 김건우 학생이 제1저자, 손운용 교수가 교신저자로 참여했다.

논문은 미국화학회(American Chemical Society, ACS)가 발행하는 물리화학 분야의 세계적 권위 학술지 The Journal of Physical Chemistry Letters에 게재됐다.

논문 제목은 'Revealing the Role of TiO₂ Blocking Layers in Hematite Photoanodes through Activation Energy Analysis of Back Recombination via in Situ Near-Field Heterodyne Transient Grating Spectroscopy' ​이다.

이번 연구는 광전극 내부에서 발생하는 에너지 손실의 주요 원인인 '역재결합(back recombination)' 현상을 억제하는 TiO₂ 차단층의 역할을 활성화 에너지(activation energy)라는 물리적 지표를 통해 정량적으로 분석했다. 향후 고효율 태양광 수소 생산 시스템 개발에 중요한 설계 기준을 제시한 것으로 평가되고 있다.

태양광을 받은 산화철 광전극에서는 물을 분해하는 데 사용돼야 할 전자가 반대 방향으로 이동해 정공과 다시 결합하는 '역재결합'이 발생하며, 이는 수소 생산 효율을 떨어뜨리는 주요 원인으로 꼽힌다.

연구팀은 광전극 내부에 매우 얇은 TiO₂ 차단층을 도입할 경우 이 층이 전자의 역이동을 막는 '전자 차단벽' 역할을 수행한다는 사실을 실험적으로 확인했다. 특히 TiO₂ 차단층을 적용한 광전극에서는 역재결합에 필요한 활성화 에너지가 기존보다 약 2배 증가하는 것으로 나타났다.

이는 전자와 정공의 불필요한 재결합을 효과적으로 억제해 광전극의 광전기화학적 성능을 향상시킬 수 있음을 의미한다.

손운용 충북대 화학과 교수는 "차단층이 광전극의 성능을 향상시킨다는 사실은 알려져 있었지만, 실제로 전자의 역재결합을 막기 위해 어느 정도의 에너지 장벽을 형성하는지는 명확하게 규명되지 않았다"며 "이번 연구는 차단층의 역할을 활성화 에너지라는 정량적 물리 지표로 제시함으로써 향후 보다 합리적이고 효율적인 광전극 계면 설계의 방향을 제시했다는 데 의미가 있다"고 말했다.

이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 지원하는 G-LAMP 사업과 과학기술정보통신부 및 한국연구재단의 연구 지원을 받아 수행됐다.