스위스 연구진은 태양광 물분해 장치를 위한 비용 효율적이고 향상된 촉매를 개발했다.

태양 에너지는 전 세계에서 점점 더 늘어나고 있는 에너지 소모를 해결할 수 있는 거의 유일한 재생 가능한 에너지원이다.

 

그러나 태양광이 없을 때에도 지속적인 에너지 공급을 할 수 있도록 태양 에너지를 저장할 수 있는 효율적인 방법이 필요하다.

 

이것을 달성하기 위한 가장 효과적인 방법 중 하나는 물을 수소와 산소로 분리하는데 태양 에너지를 사용하는 것이다.

 

이 수소는 연료 전지를 작동하는데 사용되고 태양 에너지를 수집할 수 없을 때에도 에너지를 생산할 수 있게 된다.

그러나 대규모 및 지속 가능하게 태양 에너지를 수집하기 위해서는 이러한 태양전지들이 저렴하고 풍부한 재료로 구성되어야 하고 10%의 수소 전환 효율을 가지고 있어야 한다.

 

이 연구결과는 저널 Nature Communications에 게재되었고, 이번 연구팀은 저렴한 재료를 사용해서 고효율의 확장 가능한 태양광 물 분해 장치를 만들 수 있는 방법을 발견했다.

태양광 시스템이 신재생 에너지 중에서도 최선의 방법 중 하나이지만, 태양광이 시간과 위치에 따라서 달라지기 때문에, 태양 시스템은 충분한 에너지를 지속적으로 생성시킬 수 없다.

 

이런 문제를 해결할 수 있는 방법은 태양 에너지를 수소의 형태로 저장하는 장치를 만드는 것인데, 이것은 매우 적은 오염물질을 가지면서 지속적인 출력을 제공할 수 있다.

수소를 제조할 수 있는 가장 지속 가능한 방법 중 하나는 광전기화학적 물 분해(photoelectrochemical water-splitting)이다. 태양 에너지는 “수소 발생 반응”이라고 불리는 프로세스를 통해서 물 분자들을 수소와 산소로 분리할 수 있다.

 

이런 반응은 촉매를 필요로 하는데, 이것은 이것의 반응 속도를 증가시키는 화학 작용제이다. 광전기화학적 물 분리 장치에서, 물을 분리하는데 사용되는 일반적인 촉매는 백금인데, 이것은 태양 패널의 광음극 표면 위에 증착된다. 태양 패널의 전극은 광을 전류로 전환시키는데 사용될 수 있다.

이번 연구팀은 풍부하고 저렴한 재료를 사용해서 태양 에너지를 동력으로 쓰는 효과적인 물 분해 장치를 만들 수 있는 새로운 방법을 발견했다.

 

이번 연구진은 수소 발생 반응을 위한 몰리브덴-황화물 촉매를 개발했고, 광음극으로서 구리(I) 산화물을 이용했다. 이번 연구진은 손쉽게 대량 생산이 가능한 간단한 증착 프로세스를 통해서 몰리브덴 황화물이 구리(I) 산화물 광음극 위에 증착될 수 있다는 것을 발견했다.

이 방법은 백금과 같은 다른 수소 발생 반응 촉매와 유사한 효율을 가졌다. 이번 연구진이 개발한 몰리브덴-황화물 촉매는 광 수집 표면이 광학적 투과성을 가지게 한다.

 

또한 이것은 산성 조건 하에서 향상된 안정성을 가진다. 그러나 더 중요한 것은 촉매와 광음극이 광전기화학적 물 분해 장치의 비용을 매우 감소시키는 저렴하고 풍부한 재료로 만들어질 수 있다는 점이다.

 

이번 연구진에 따르면, 이 연구는 태양광을 이용한 수소 생성 장치를 제조하는데 새로운 길을 열어줄 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Hydrogen evolution from a copper(I) oxide photocathode coated with an amorphous molybdenum sulphide catalyst”라는 제목으로 게재되었다.

 

 

 

By replacing platinum with molybdenum in photoelectrochemical cells, scientists from two EPFL labs have developed a cheaper and scalable technique that can greatly improve hydrogen production through water splitting as a means of storing solar energy.

 

Solar energy appears to be the only form of renewable that can be exploited at level that matches the world's growing needs.

 

However, it is equally necessary to find efficient ways to store solar energy in order to ensure a consistent energy supply when sunlight is scarce.

 

One of the most efficient ways to achieve this is to use solar energy to split water into hydrogen and oxygen, and get the energy back by consuming hydrogen in a fuel cell.

 

But collecting solar energy on a large and sustainable scale means that such cells must be made from materials that are cheap, abundant, and have 10% solar‐to‐hydrogen conversion efficiency.

 

Publishing in Nature Communications, an EPFL-led team of scientists has found a method to create a high-efficiency, scalable solar water splitting device using cheap materials.

 

Although one of the best means of sourcing renewable energy, solar systems cannot consistently produce adequate energy since sunlight varies from time to time and place to place.

 

A solution to this problem is a device that can store energy in the form of hydrogen for later use, offering a consistent output over time with very little pollution.

 

One of the most sustainable methods of producing hydrogen is photoelectrochemical (PEC) water-splitting. Solar energy is used to break water molecules into hydrogen and oxygen through a process called "hydrogen evolution reaction".

 

This reaction requires a catalyst, which is a chemical agent that increases its speed. In PEC water-splitting devices, a common catalyst used to split water is platinum, which is deposited on the surface of the solar panel's photocathode – the solar panel's electrode that converts light into electric current.

 

A research team at EPFL has now found a way to make efficient solar-powered water splitting devices using abundant and cheap materials.

 

The group of Xile Hu developed a molybdenum-sulfide catalyst for the hydrogen evolution reaction, and the group of Michael Grätzel developed copper(I) oxide as a photocathode.

 

The researchers found that the molybdenum sulfide can be deposited on the copper(I) oxide photocathode for use in PEC water splitting through a simple deposition process that can be easily expanded onto a large scale.

 

The technique shows comparable efficiency to other hydrogen evolution reaction catalysts like platinum, it preserves the optical transparency for the light-harvesting surface and it shows improved stability under acidic conditions, which could translate into lower maintenance.

 

But more importantly, both the catalyst and the photocathode are made with cheap, earth-abundant materials that could greatly reduce the cost of PEC water-splitting devices in the future. According to senior author Xile Hu, the work represents a state-of-the-art example for solar hydrogen production devices.