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국내 연구진이 광전극의 결정 방향 제어를 통해서 친환경 수소 에너지 생산 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 가능성을 확인하였다. GIST(지스트, 총장 문승현) 신소재공학부 이상한 교수 연구팀이 비스무스 바나데이트* 광전극**이 결정*** 방향에 따라 상이한 광 반응 특성을 가진다는 사실을 최초로 실험으로 밝혀 고효율의 물 분해 수소 생산을 위해 광전극의 결정방향의 제어가 필요하다는 근거를 제시했다.

* 비스무스 바나데이트 (BiVO4) : 2.4 eV의 비교적 낮은 밴드갭을 가지고 있는 n형 반도체 물질

** 광전극 : 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 발생시키는 물질로 만든 전극

*** 결정(crystal) : 원자나 이온들이 규칙적으로 배열하고 있는 고체 상태의 물질

광전극이란 태양빛을 흡수하여 전하들(전자*와 정공**)을 발생시키는 물질로 만들어진 전극을 말하며, 발생한 전하들은 물과 반응하여 친환경 수소 에너지를 발생시킨다. 따라서 효율적으로 친환경 수소 에너지를 생산하기 위해서는 발생한 전하들이 광전극 내에서 물과 만나는 계면으로 잘 전달되어 물과 반응하게 할 확률을 높이는 것이 무엇보다 중요하다.

* 전자 : 음의 전하를 띠고 있는 기본 입자

** 정공 : 양의 전하를 띠고 있는 기본 입자

연구팀은 최근 가장 각광받고 있는 광전극 물질인 비스무스 바나데이트가 결정의 방향에 따라 서로 상이한 전하 전달 특성을 가짐을 최초로 실험적으로 밝혔다. 연구 결과, 비스무스 바나데이트 광 전극 박막은 결정방향에 따라 전하 전달 특성에 의존하는 광전류 밀도* 값이 서로 확연히 다르다는 것이 확인되었다.

, 결정방향의 유형 중 하나인 수직 결정 방향(c-, (001) 방향)에 비해 수평 결정 방향(b-, (010) 방향)에서 광전류 밀도가 300% 이상 향상되었다. 이러한 밀도의 향상은 태양에너지를 친환경 수소에너지로 변환하는 효율의 향상과 직결된다고 말할 수 있으며, 나아가 특정 결정 방향으로의 광 전극 제작이 결과적으로 수소 생산 효율을 높일 수 있다고 연구팀은 설명했다.

* 광 전류 밀도 : 빛을 조사 시, 전하 분리 현상에 의해 생성되는 전류를 빛 받은 면적으로 나눈 수치

이상한 교수이번 연구를 통해 친환경 수소 생산을 위한 대표적인 광전극 물질인 비스무스 바나데이트가 근본적으로 결정방향에 따른 전하 전달 특성에 있어 이방성을 지니고 있음을 명확히 알 수 있었고 이 사실에 기초하여 특정 결정방향으로 합성된 광전극을 제작하는 것이 수소 생산 효율을 향상시키는데 있어 매우 효과적인 방법이 될 수 있음을 확인한 것이 큰 성과이다라고 말했다.

GIST 신소재공학부 이상한 교수(교신저자)가 주도하고, 송재선 박사과정(1저자)이 수행한 이번 연구는 교육부, 과학기술정보통신부 및 한국연구재단이 추진하는 이공학개인기초연구지원사업 및 미래소재디스커버리사업의 지원과 GIST 기후변화대응기술 개발과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야의 세계적인 국제학술지인 에이시에스 카탈리시스(ACS Catalysis, IF=10.614)2018522일 온라인으로 게재되었다. <>그림 1 .jpg

 

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