(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국기계연구원은 나노융합연구본부 나노리소그래피연구센터 이지혜 센터장 연구팀이 비스무트 바나데이트(BiVO4) 광전극의 제조 생산성을 높여 수소 생산을 극대화하는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

BiVO₄는 광흡수도 및 태양광 수소 변환 효율(STH)이 높아 태양광 수전해 기반 친환경 수소 생산 시스템에서 핵심 소재로 주목받고 있는 금속산화물이다.

기존의 BiVO4 전구체 용액은 최대 100밀리몰(mM)의 농도로만 제조 가능해 고성능 박막을 형성하기 위해서는 8회 이상의 다중 코팅과 열처리 공정이 반복적으로 필요했다. 이로 인해 공정 속도가 느리고 재료 소모가 많아 생산성이 낮다는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 아세틸아세톤, 아세틱 애시드, 디메틸설폭사이드를 최적의 비율로 혼합한 고농도 BiVO4 전구체 용액을 개발했다. 단 한 번의 코팅으로 균일하면서도 고성능의 BiVO4 박막을 형성할 수 있으며 기존 대비 생산성을 약 5.9배 향상시킬 수 있다.

또 144㎠의 대면적 광전극을 제작하고 해당 전극 4개를 연결해 576㎠ 크기의 초대형 전극 시스템으로 확장했다. 특히 이 시스템과 태양전지를 병렬로 연결해 외부 전원 없이 자연 태양광만으로 수소를 생산하는 데 성공했다.

자연 태양광 조건에서도 안정적으로 높은 광전류를 생성해 친환경 수소 생산을 위한 경제성과 효율성을 확보했으며 상용화 가능성을 크게 높였다.

이 센터장은 "이번 연구는 고농도 BiVO4 전구체 용액 개발로 대면적 광전극 제조 효율성과 생산성을 혁신적으로 개선한 성과"라며 "지속 가능한 에너지로의 전환과 친환경 수소 생산 상용화를 앞당길 것으로 기대한다"고 말했다.

연구팀은 이 같은 대면적 BiVO₄ 광전극 개발로 국내특허 및 PCT 출원을 진행 중이다. 연구 성과는 영국왕립화학회에서 발행하는 국제학술지 '저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 A'에 게재됐다.

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