서울대, 물에서 수소 만드는 ‘인공 광합성’ 기능 기술개발 향상

기존 최고 효율 감광제보다 2배 이상 분자활성 높이는 데 성공

이 민 선 기자

서울대학교 재료공학부 박수영 교수와 황동렬 박사과정 연구원 등이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구) 등의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 9월 11일자 온라인판에 게재됐다.

수소는 휘발유보다 2.75배 많은 에너지(수소 1g 당 122kJ)를 낼 수 있으며, 온실가스를 만들지 않아 청정에너지원으로 주목받고 있다. 하지만 수소의 생산을 위해 대부분 재생이 불가능한 탄화수소 개질법을 이용하고 있어 친환경적인 공정을 개발하는 것이 관건이었다.

연구팀은 테트라페닐실란 기능기를 도입해 기존 최고 효율의 이리듐 착체 감광제와 비교해 분자활성을 2배 이상 끌어 올릴 수 있는 감광제를 비롯해, 이 감광제가 만든 에너지로 물을 분해해 수소를 생산할 수 있는 시스템을 개발해냈다.

개선된 감광제는 물 1리터에서 100리터 이상의 수소 기체를 생산할 수 있는 수준의 분자활성(Turn Over Number) 1만7,000을 기록했다. 이는 기존 유기금속 착체 감광제 중 가장 높은 수준이다. 감광제의 분자활성을 높여 수소생산 효율을 향상시킴으로써 기존 탄화수소 개질법을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

분자활성 개선의 핵심은 감광제의 광안정성을 증진시킨 데 있다. 기존 감광제는 물이나 유기용매로 인해 분해돼, 더 이상 감광제로서의 역할을 하지 못하는 한계가 있었다. 그러나 이번 연구에서 부피가 큰 테트라페닐실란 작용기를 도입한 결과, 물 혹은 기타 유기용매의 공격으로부터 감광제를 보호해 수소생산 효율을 장시간 유지시킨다는 사실을 확인했다. 특히 테트라페닐실란 도입에도 불구하고 전기적, 광학적 특성에는 영향을 거의 주지 않았다.

박 교수는 “무한한 에너지원인 태양광과 지구상에 가장 많은 자원인 물로부터 수소를 효과적으로 생산할 수 있는 인공광합성 시스템을 위한 연구의 토대를 마련한 것”이라고 밝혔다.

감광제를 이용한 물 분해 수소 생산

가시광선에 반응할 수 있는 유기 금속 착체 감광제를 이용한 물 분해 수소 생산은 1979년에 최초로 보고된 이후로, 오랜 역사를 가진다. 특히 차세대 에너지원으로 수소가 주목받으면서, 탄화수소 개질법을 대체할 친환경적인 수소 생산 기술로, 광증감 촉매 시스템을 이용한 수소 생산법의 개발에 전 세계적인 관심과 연구가 집중되고 있다.

태양광을 이용한 물 분해 수소 생산에 있어서, 가시광선에 반응해 촉매작용에 필요한 에너지를 공급할 수 있는 감광제의 개발은 핵심적인 요소다. 하지만 종래의 기술은 감광제의 광안정성이 떨어짐으로써 수소 생산 능력이 떨어지고, 특히 수소 생산에 사용되는 희생 시약, 용매 등의 종류에 따라 수소 생산 능력이 좌우되는 문제점이 있었다. 따라서 유기 금속 착체 감광제의 개질을 통해 본질적인 광안정성을 향상시켜, 수소 생산 효율을 비약적으로 향상시킬 수 있는 소재를 제공하는 것은 중요한 의의를 지닌다.

이번 연구에서는 이리듐 감광제의 보조 리간드에 테트라페닐실란 작용기를 도입함으로써 감광제의 광안정성을 높이며, 분자활성을 비약적으로 증대시킬 수 있었다. 테트라페닐실란은 소수성이며 큰 입체장애를 유도할 수 있는 기능기로, 물 혹은 기타 유기용매로부터의 공격에서 이리듐 감광제를 보호해 수소 생산 효율을 장시간 동안 유지시켜주는 역할을 한다.