연구원들은 금속 호일 캡슐화를 통해 내구성이 뛰어난 유기 반도체 광전 음극을 설계했습니다.

2022년 9월 22일

GIST(광주과학기술원) 제공

수소는 탄소중립 연소생성물(물, 전기, 열)로 인해 화석연료 자원의 친환경 대안으로 각광받고 있으며, 배출가스 제로 사회를 위한 차세대 연료로 주목받고 있습니다. 그러나 아이러니하게도 수소의 주요 공급원은 화석 연료입니다.

깨끗하고 지속 가능한 방식으로 수소를 생산하는 한 가지 방법은 햇빛에 의해 물을 분해하는 것입니다. "광전기화학(PEC) 물 분해"로 알려진 공정은 유기 광전지 작동의 기초입니다. 이 방식이 매력적인 이유는 1) 그리드 시스템 없이 제한된 공간에서 대량 수소 생산이 가능하고, 2) 태양에너지를 수소로 고효율로 전환할 수 있다는 점이다.

그러나 이러한 장점에도 불구하고 기존 PEC에 사용되는 광활성 물질은 상업적 환경에 필요한 특성을 갖지 않습니다. 이와 관련하여 유기 반도체(OS)는 고성능과 저비용 인쇄로 인해 상업용 PEC 수소 생산을 위한 잠재적인 광전극 재료로 부상했습니다. 그러나 OS의 단점은 화학적 안정성이 낮고 광전류 밀도가 낮다는 점입니다.

이제 한국 광주과학기술원 이상한 교수팀이 마침내 이 문제를 해결했을지도 모릅니다. Journal of Materials Chemistry A의 앞표지에 실린 최근 획기적인 발전에서 팀은 OS 광전 음극을 백금 장식 티타늄 호일에 캡슐화하는 방식을 채택했습니다. 이 기술은 "금속 호일 캡슐화"로 알려진 기술입니다. 전해질 용액에 노출.

"금속 호일 캡슐화는 OS에 대한 전해질의 침투를 방해하고 OS에 대한 이전 연구 및 기타 보고서에서 입증된 것처럼 장기 안정성을 향상시키는 데 도움이 되므로 장기간 안정적인 OS 기반 광전 음극을 실현하기 위한 강력한 접근 방식입니다. 기반의 광전극”이라고 이 교수는 설명했다.

연구팀은 OS 광전 음극을 티타늄 호일과 잘 분산된 백금 나노입자로 덮은 유기 태양전지를 제작했다. 테스트 시, OS 광음극은 가역적 수소 전극(RHE)에 비해 1V의 개시 전위와 0 VRHE에서 -12.3mA cm-2의 광전류 밀도를 나타냈습니다. 가장 주목할 만한 점은 셀이 OS의 눈에 띄는 저하 없이 30시간 이상 최대 광전류의 95.4%를 유지하는 기록적인 작동 안정성을 입증했다는 것입니다. 또한 연구팀은 실제 햇빛 아래에서 모듈을 테스트한 결과 수소를 생산할 수 있었다.

본 연구에서 개발된 매우 안정적이고 효율적인 PEC 모듈은 대규모 수소 생산을 가능하게 하고 미래 수소 주유소 건설을 위한 혁신적인 경로를 제시할 수 있습니다. "지구 온난화의 위협이 증가함에 따라 친환경 에너지원 개발이 필수적입니다. 우리 연구에서 탐구한 PEC 모듈은 수소를 대량 생산하고 동시에 판매할 수 있는 수소 주유소에 설치할 수 있습니다. "라고 이 교수는 말했다.

추가 정보: 서세훈 외, 수소 생산을 위한 장기간 안정적인 유기 반도체 광전 음극 기반 광전기 화학 모듈 시스템, Journal of Materials Chemistry A (2022). DOI: 10.1039/D2TA02322A