연구 개략도 : 2D GDY/CuO foam 광전극의 제작 공정 및 표면 구조.(사진=국립창원대 제공)

국립창원대학교 G-램프(LAMP)사업단은 곽진성 교수와 손호기 박사 연구팀이 2차원 그래다인(Graphdyne, GDY)으로 캡슐화된 산화구리를 이용해 수소 발생 효율을 향상시키고, 그 메커니즘을 규명했다고 22일 밝혔다.

연구팀은 구리 폼(Cu foam)을 산화시켜 산화구리 폼(CuO foam)을 제작한 뒤, 2차원 GDY를 합성해 2D GDY/CuO foam 이종접합 광전극을 구현했다. 이를 활용해 태양광 기반 수소 생산 실험을 진행했으며, 동시에 밀도범함수 이론(Density Functional Theory, DFT)을 적용해 실험과 이론을 정합함으로써 연구 결과의 타당성을 입증했다.

그 결과, 개발된 2D GDY/CuO foam 광전극은 수소 발생 반응(HER)에서 70 µmol h-1 cm-2, 패러데이 효율(Faraday efficiency)에서 88.6%를 달성했다. 이는 2D GDY/CuO foam 광전극 구조에서 Z-scheme 전자-정공 메커니즘이 구현돼, 태양광에 의해 생성된 전자-정공 쌍의 재결합을 억제하고 광-수소 전환 반응을 촉진한 결과이다. 특히 탄소 기반 2D GDY는 CuO보다 낮은 흡착 에너지를 가지므로 수소 발생 반응의 효율을 한층 높일 수 있다.

이번 연구 성과는 ‘Direct Z-scheme-Based 2D Graphdiyne/Cupric Oxide Heterojunction for Enhancing Solar-to-Hydrogen Conversion Efficiency(제1저자 손호기 LAMP포닥, 교신저자 곽진성 LAMP교원)’라는 제목으로 국제저명학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A(IF=9.5, JCR 상위 13.6%)’에 게재됐다.

곽진성 국립창원대 교수는 “이번 연구는 2차원 소재의 캡슐화와 Z-scheme 메커니즘을 접목해 수소 생산 효율을 개선한 사례”라며 “향후 태양광을 활용한 친환경 에너지 전환 기술 개발에 더욱 매진하겠다”고 설명했다.

한편 이번 연구는 국립창원대 G-램프(LAMP)사업단의 지원을 받아 수행됐으며, 연구팀은 앞으로 태양광을 이용한 광전극 소재 개발을 위한 연구를 적극적으로 이어 나갈 계획이다.