[이데일리 강민구 기자] 식물이 햇빛을 받아 에너지를 만드는 것처럼 실내조명 빛을 받아 수소를 만드는 ‘인공 나뭇잎’이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 장지현 에너지화학공학과 교수팀이 광전극과 수소 생산 촉매를 결합해 LED 조명으로 수소를 생산하는 인공 나뭇잎을 개발했다고 19일 밝혔다.

인공 나뭇잎에서 가장 중요한 것은 엽록소 역할을 하는 광전극이다. 식물 엽록소처럼 빛을 받아 전하 입자를 만든다.

연구팀이 개발한 광전극은 햇빛보다 밝기가 약한 실내조명을 잘 흡수해 전하 입자를 만드는 황화물 소재로 이뤄져 있다. 생산된 전하 입자는 이산화티타늄층을 거쳐 뒷면의 수소 생산 촉매층으로 전달되고, 수소 생산 촉매층인 ‘3차원 니켈’ 표면에서 이 전하 입자와 물이 반응해 수소가 나온다.

황화물은 강한 빛에 노출되면 ‘광부식’ 현상이 일어나는데 약한 실내조명은 이를 최소화할 수 있다. 연구팀은 빛이 약해 줄어든 전하 입자량을 보완하기 위해 황화물에 이산화티타늄이 접합된 전극 구조를 설계했다. 이 접합 구조는 양전하 입자와 음전하 입자가 재결합해 사라지는 것을 막아 한정된 전하를 재결합 손실 없이 온전히 수소 생산에 쓰게 만든다. 또 황화물 표면에 ‘인산염’을 코팅해 황화물의 광부식은 막고 전하 이동 속도는 높여 내구성과 효율을 동시에 잡았다.

인공 나뭇잎은 외부 전압을 걸어주지 않아도 실내조명만으로 119~120 마이크로암페어의 광전류를 기록했고, 12시간 후에도 초기 성능의 94%를 유지했다. 비싼 백금 촉매를 사용했을 때와 유사한 수준이다.

특히 수소 생산 촉매인 3차원 니켈은 싸고, 잉크처럼 찍어낼 수 있어 상용화에 필요한 크기로 제작할 수 있다. 연구팀은 85㎠ 인공 나뭇잎 4개를 직렬로 연결한 대형 모듈도 제작해 실내조명 아래에서 총 5밀리암페어(mA)의 광전류를 기록했다.

장지현 교수는 “실내조명은 날씨에 민감한 태양광과 달리 꾸준하게 활용할 수 있다”며 “실내에서 버리던 빛을 수소 생산의 에너지원으로 활용할 수 있음을 확인한 만큼 수소 분리·회수 기술을 보완하겠다”고 전했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environmental and Energy)’에 지난달 16일 온라인판으로 공개됐다.