나노기술 및 정책 정보

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● 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과의 장지욱 교수 연구팀이 페로브스카이트 기반 과산화수소(H2O2) 생산용 광전극 시스템을 개발

● 친환경 공업 원료인 과산화수소의 합성법으로 광전극이 주목을 받고 있지만, 광흡수 성능이 뛰어나면서도 오래 쓸 수 있는 광전극 개발에는 난항을 겪고 있음.

● 이에 연구팀은 페로브스카이트를 물로부터 보호할 수 있는 필즈메탈(Field's metal)을 이용하여 성능과 내구성을 갖춘 광전극 시스템을 개발

● 액체 상태의 필즈메탈로 페로브스카이트와 산소환원 촉매를 둘러싼 뒤, 다시 굳히는 방식으로 광전극을 제작

● 수백도 이상의 고온에서 녹는 일반적인 금속과 달리 필즈금속은 녹는 온도가 63°C로 매우 낮아 본 공정이 가능

● 연구팀은 산소환원 촉매를 제작하기 위해 산화 탄소 나노튜브를 거미줄처럼 엮어 사용하였으며, 이를 통해 표면적을 극대화하여 페로브스카이트 위에 종이처럼 얹을 수 있었음.

● 본 광전극 시스템은 물 산화 촉매를 산소환원 촉매와 함께 사용하였기 때문에 외부 전압의 도움 없이 자동으로 과산화수소 생산이 가능

● 테스트 결과, 태양광을 과산화수소로 전환하는 효율은 최대 1.46%를 나타내었으며, 이는 자연 광합성의 일반적 효율인 1%를 넘어선 최고 기록임.

● 특히, 광전극 시스템의 산소환원 촉매를 질소환원 촉매나 이산화탄소환원 촉매로 바꾸면 암모니아를 포함한 다양한 고부가 가치 물질 생산에도 사용 가능

해당 기술은 과산화수소를 비롯한 암모니아, 수소 등 다양한 친환경 연료를 만드는 인공광합성 기술에 활용될 수 있을 것으로 기대

※ 용어설명

- 페로브스카이트(perovskites): CaTiO3 결정 구조를 갖는 물질로, 빛을 잘 흡수해 많은 전하를 만들며, 저렴하고 간편한 제조 공정이 가능

- 필즈금속(Field's metal): 약 62°C에서 액체가 되는 가용성 합금으로 비스무트, 주석, 인듐이 각각 32.5%, 16.5%, 51% 포함됨.

- 산화 탄소 나노튜브: 탄소 나노튜브에 매우 강한 산을 추가하였으며, 기존 탄소 나노 튜브보다 산소 환원에 뛰어난 성능을 보임.

※ Nature communications 게재(2021.11.17.), “Unassisted selective solar hydrogen peroxide production by an oxidised buckypaper-integrated perovskite photocathode”

※ 나노·미래소재원천기술개발과제, 신진연구과제 지원