(Schematic of the multi-functional water splitting catalyst layer engineered using atomic layer deposition for integration with a high-efficiency silicon cell. Credit: Ian Sharp/Berkeley Lab)
광합성은 지구 생태계를 지탱하는 강력한 광화학 반응으로 가장 단순한 시아노박테리아도 인간이 만든 어떤 화학 공정보다 더 효율적으로 태양에너지를 이용해 이산화탄소와 물을 포도당으로 바꿀 수 있습니다. 따라서 많은 과학자들이 이와 비슷한 인공 광합성을 꿈꿔왔던 것은 놀라운 일이 아닙니다.
미국 에너지부 산하의 로렌스 버클리 국립 연구소 (Lawrence Berkeley National Laboratory)의 과학자들 역시 차세대 에너지 원으로 태양에너지를 화학 에너지로 바꾸는 인공 광합성 연구를 진행하고 있습니다. 다만 태양에너지로 포도당을 생산하는 대신 더 쉽게 생산이 가능하고 에너지로 사용이 용이한 수소를 생산한다는 것이 차이입니다.
이전에도 몇 차례 비슷한 방식을 소개한 바 있지만, 태양 전지를 촉매와 합쳐 물을 수소와 산소로 분해하는 태양 수소 (화학) 전지는 몇 가지 큰 문제점을 가지고 있습니다. 그 중 대표적인 것은 반응성이 큰 촉매와 화학 반응에 의해 전지와 전극이 손상을 입는 것입니다. 화학 반응으로 인해 태양 전지가 손상되면 사실상 장기간 사용이 불가능합니다.
버클리 연구소의 인공 광합성 합동 센터 Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) 의 과학자들은 반도체 제조 등에서 사용되는 plasma-enhanced atomic layer deposition 기술을 이용해서 얇은 층의 보호 물질, 태양전지, 촉매를 서로 통합했습니다. 이렇게 얇은 층으로 통합된 복합 태양 전지는 보다 안정적으로 태양광을 전기로 변환 한 후 다시 촉매의 힘으로 물을 분해할 수 있습니다.
다만 현재 개발된 태양 - 화학 전지는 대부분 효율이 낮고 장기간 내구성 등이 검증되지 않은 실험용 제품들입니다. 이번에 개발된 태양 수소 전지는 20년 정도 장기간 사용해도 효율이 유지되는 제품을 목표로 연구가 이뤄졌습니다. 앞으로 갈길이 멀긴 하지만, 이와 같은 연구가 지속될 경우 태양 수소 전지 상용화도 가능할 것으로 기대합니다.
참고
Jinhui Yang et al. A multifunctional biphasic water splitting catalyst tailored for integration with high-performance semiconductor photoanodes, Nature Materials (2016). DOI: 10.1038/nmat4794
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