광합성(Photosynthesis)을 모방하는 물분해 셀(Water-splitting Cell)은 태양광을 흡수하여 연료를 생산한다. 이러한 셀을 설계하는데 있어 어려운 점은 태양광을 흡수하고 전자를 생산하는 반도체와 촉매(Catalyst)의 짝을 맞추는 일이다. 여기서 생산된 전자들은 연료를 생산하기 위해 활용된다. 이와 관련하여 미 오레곤 대학(University of Oregon)의 연구진은 두 물질 계면 사이에 전자의 흐름을 연구하기 위한 새로운 방안을 제시하였다. 연구진은 이 기술을 통하여 이온을 통과시킬 수 있는 촉매가 다른 촉매와 비교할 때 비교적 많은 양의 에너지를 생산할 수 있는 계면을 형성한다는 것을 발견하였다.

물 분해 공정은 수소(Hydrogen)와 같이 재생가능한 화학 연료의 형태를 제공함으로써 태양에너지의 대규모로 변환 및 저장에 중요한 메커니즘을 제공한다. 전하가 분리되는 물 분해 계면을 직접적으로 조사할 수 있는 방법을 개발하는 일은 태양광과 물로부터 수소를 생산하는 장치를 보다 효율적으로 개발할 수 있도록 도움을 준다. 또한 이번 연구결과를 통해 개선된 계면에서 전하 이동과 관련한 기본적인 질문들에 대해 답을 얻을 수 있다.

고효율 물 분해 태양장치를 개발하는데 있어 도전은 촉매와 반도체 사이의 계면에서 활동하고 있는 전자에 대한 직접적이고 정량적인 정보가 부족하다는 것이다. 촉매에 대한 이해도를 높이기 위해 연구진은 단일 결정 티타늄 산화물 전극에 전기적으로 접촉하여 다양한 촉매막을 형성하였다. 이들은 새로운 이전극 광전기화학 기술(Dual-electrode Photoelectrochemistry)을 사용하여 양쪽 물질에 대래 독립적으로 모니터링하고 전압 및 전류를 제어함으로써 직접적으로 반도체와 촉매 사이의 계면을 조사할 수 있었다. 이러한 접근방법을 통해 연구진은 촉매의 전하축적 및 전압변화를 확인할 수 있었다. Ni(OH)2/NiOOH(nickel hydroxide/nickel oxyhydroxide)와 같은 레독스 활성 이온투과성 촉매는 적응적 반도체-촉매 접합을 만들었다. 여기서 적응적 (Adaptive) 접합이라는 말은 촉매의 산화 정도에 따라 효과적인 쇼트키 장벽(Schottky Barrier) 높이가 변화한다는 의미이다.

반대로 이온이 투과되지 못하는 이리튬 산화물 기반의 촉매는 쇼트키 장벽 높이가 유지되는 것으로 나타났다. 이산화티타늄에 니켈 산화물을 열적으로 증착한 촉매를 이온 투과성의 Ni(OH)2/NiOOH로 변환하는 것은 증가된 겉보기 광전압(Apparent Photovoltage)과 충진율(Fill-factor)에 관계가 있음을 보여주었다. 연구진은 적응적 접합에 대한 새로운 이론을 제안하였으며 시뮬레이션을 통해 이러한 이론을 적용할 수 있었다. 이번 연구에 사용된 시스템이 그리 효율적이지는 않지만 연구결과는 계면의 유동적 행동 특성에 대해 기본적인 시사점을 제공하기 때문에 효율적인 반도체-촉매 장치를 설계하는데 도움을 줄 것이다. 또한 연구진은 적응적 반도체 접합의 새로운 종류에 대해서도 설명하였다.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 12월 9일]