이화여자대학교는 이 대학 화학·나노과학과 김동하 교수 연구팀이 빛의 방향성을 제어해 수소 발생 효율을 최대 2배 이상 높일 수 있는 새로운 광촉매 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

이번 연구는 빛의 ‘편광’을 촉매 설계에 직접 활용한 것은 세계 최초로, 태양광 기반 수소 생산 기술의 한계를 넘어설 수 있는 성과로 평가된다.

이는 태양광 수소 생산 과정에서 반복적으로 제기돼 온 낮은 빛 흡수 효율과 전하 손실 문제를 근본적으로 개선한 것이 특징이다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 Advanced Materials 1월 15일자에 게재됐다.

태양광을 이용한 수소 생산은 물을 분해해 친환경 수소를 얻는 기술이지만, 기존 광촉매는 빛을 충분히 활용하지 못하고 생성된 전자가 빠르게 소멸되는 한계가 있었다. 김동하 교수팀은 기존 촉매가 사용하지 않던 빛의 방향성 정보인 ‘편광’을 반응 설계에 도입해 전하 이동 경로를 제어하고 반응 효율을 높이는 새로운 설계 원리를 제시했다.

연구팀은 원편광을 이용한 광유도 성장 방식으로 오른쪽 편광에 반응하는 촉매(R-Au/C3N4)와 왼쪽 편광에 반응하는 촉매(L-Au/C3N4)를 각각 합성했다. 키랄성은 왼손과 오른손처럼 서로 겹쳐지지 않는 방향성을 뜻하며, 빛과 촉매의 방향성이 맞을 때 에너지 전달 효율이 크게 높아진다.

실험 결과, 빛의 편광 방향이 촉매의 키랄성과 일치할 경우 수소 발생량이 최대 2.10배 증가했다. 반면 방향성을 고려하지 않은 기존 촉매에서는 이러한 차이가 나타나지 않았다. 시간 분해 발광 분석에서는 전자 수명이 늘어나 전하 손실이 줄어든 것이 확인됐고, 구조 분석에서는 촉매의 안정성도 함께 향상된 것으로 나타났다.

이번 연구는 빛의 방향성이 전하 이동과 촉매 안정성까지 좌우할 수 있음을 실험적으로 입증한 첫 사례로 평가된다. 김동하 교수는 “빛의 편광과 촉매 구조를 정합시키는 새로운 설계 원리를 제시했다”며 “태양광 기반 수소 생산 기술의 전환점이 될 수 있을 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 자율운영중점연구소 사업과 국가연구소(NRL2.0) 지원사업, 브레인링크 프로그램, 기초과학지원연구원 연구역량강화사업, 글로벌 화학기업 사이언스코의 지원을 받아 수행됐다. 공동교신저자로는 고려대학교(세종) 김철훈 교수, 국립군산대학교 권익선 교수, 싱가포르국립대학교 즈췬 린 교수가 참여했다.