태양광 수소 생산의 걸림돌 ‘전자 재결합’…국내 연구진, 해법 찾았다 > 신기술/기타

KAIST 등 공동연구진, 이산화티타늄 산소 결함의 전자 포획 원리 규명

전자·정공 재결합 속도 2.5배 늦춰…고효율 광촉매 개발 가능성 제시

태양광을 이용해 수소를 생산하는 기술의 핵심 과제 중 하나는 빛에서 얻은 에너지를 얼마나 효율적으로 화학반응에 활용하느냐다. 빛을 흡수한 소재 내부에서 전자와 정공이 빠르게 재결합하면 수소 생산에 사용할 수 있는 에너지가 그만큼 줄어들기 때문이다.

국내 공동연구진이 이러한 에너지 손실을 줄일 수 있는 새로운 원리를 규명했다. 광촉매 소재 내부의 미세한 결함이 오히려 전자를 안정적으로 붙잡아 재결합을 지연시키는 역할을 한다는 사실을 밝혀낸 것이다.

KAIST 화학과 김태규 교수 연구팀은 경희대학교 김태우 교수, 가톨릭대학교 김중한 교수, 포항가속기연구소 이재혁 박사 연구팀과 공동으로 이산화티타늄(TiO₂) 내부의 산소 결함이 전자의 수명을 늘리는 메커니즘을 규명했다고 25일 밝혔다.

이산화티타늄은 대표적인 광촉매 소재다. 빛을 흡수하면 전자와 정공이 생성되고 이들이 각각 환원반응과 산화반응에 참여할 수 있다. 이를 활용하면 물에서 수소를 생산하거나 이산화탄소를 다른 화학물질로 전환할 수 있다. 오염물질을 분해하는 환경 기술에도 응용된다.

문제는 전자와 정공의 재결합이다. 빛에 의해 에너지를 얻은 전자가 화학반응에 참여하기 전에 정공과 다시 결합하면 흡수한 에너지를 유용하게 활용하지 못한다. 광촉매의 효율을 높이려면 이러한 재결합을 억제하는 것이 중요하다.

연구진은 산소 원자의 일부가 빠져나간 '블루 이산화티타늄(blue TiO₂)'에 주목했다. 일반적인 이산화티타늄과 달리 푸른빛을 띠는 이 소재에는 산소 결함이 존재한다. 산소 결함은 결정구조에서 산소 원자가 빠진 자리로, 전자가 머무를 수 있는 특수한 에너지 상태를 형성하는 데 관여한다.

연구진은 포항가속기연구소의 4세대 방사광가속기인 엑스선 자유전자레이저(XFEL)를 이용해 빛을 받은 소재 내부에서 일어나는 변화를 펨토초 단위로 추적했다. 펨토초는 1,000조분의 1초에 해당한다. 여기에 광학 분석과 컴퓨터 계산을 결합해 전자의 움직임과 주변 원자 구조의 변화를 분석했다.

분석 결과 일반 이산화티타늄과 블루 이산화티타늄 모두 빛을 흡수한 직후 전자가 빠르게 에너지를 일부 잃으며 일시적으로 포획되는 현상이 나타났다.

그러나 이후 과정에서는 뚜렷한 차이가 확인됐다.

블루 이산화티타늄에서는 산소 결함의 영향으로 전자가 더욱 안정적인 '깊은 포획 상태(deep trapping state)'로 이동했다. 전자가 쉽게 빠져나오지 못하는 에너지 상태가 형성된 것이다. 이 과정에는 약 1.5나노초가 걸렸다. 이후 전자와 정공의 재결합은 일반 이산화티타늄보다 약 2.5배 느리게 진행됐다. 산소 결함이 일종의 전자 저장 공간으로 작용하면서 전자와 정공이 다시 결합하기까지의 시간을 늘린 셈이다.

특히 연구진은 전자가 포획되는 과정에서 주변 원자의 배열도 함께 변한다는 사실을 확인했다. 산소 원자가 빠진 빈자리뿐 아니라 그 주변의 원자 구조 변화까지 전자의 안정적인 포획에 관여한다는 의미다.

KAIST 제공

이번 연구의 의의는 단순히 전자 재결합이 느려진다는 현상을 확인하는 데 그치지 않았다는 점이다. 산소 결함에 의한 전자 포획과 주변 원자 구조의 변화, 재결합 지연으로 이어지는 일련의 과정을 규명했다.

이는 광촉매 소재의 성능을 개선하는 새로운 설계 방향을 제시한다. 기존에는 소재 내부의 결함을 제거하거나 최소화하는 접근이 일반적이었다면, 이번 연구는 특정 결함을 의도적으로 형성하고 제어하는 것이 광촉매의 성능 개선에 도움이 될 수 있음을 보여준다.

다만 전자의 수명이 길어졌다는 사실이 곧바로 수소 생산 효율의 향상을 의미하는 것은 아니다.

전자가 오랫동안 포획되더라도 실제 수소 생성 반응에 참여하지 못한다면 광촉매의 성능 개선으로 이어지기 어렵다. 따라서 산소 결함의 농도와 분포를 최적화하는 동시에 포획된 전자가 화학반응에 얼마나 효과적으로 참여하는지 검증하는 후속 연구가 필요하다.

이번 성과는 태양광을 직접 활용하는 광촉매 기반 수소 생산 기술뿐 아니라 이산화탄소 전환과 환경오염물질 분해 기술에도 응용될 가능성이 있다.

김태규 교수는 "이번 연구는 소재 속 산소가 빠진 빈자리가 단순한 결함이 아니라 전자를 오래 유지하도록 돕는 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혀낸 것"이라며 "앞으로 소재의 미세한 구조를 조절해 빛 에너지를 보다 효과적으로 활용하는 광촉매를 설계하는 데 도움이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 화학과 우태균 박사과정생이 제1저자로 참여했다. 김태규 KAIST 교수와 김태우 경희대 교수, 김중한 가톨릭대 교수, 이재혁 포항가속기연구소 박사가 공동 교신저자를 맡았다.

연구 결과는 국제학술지 '미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)'에 지난 9월 17일 온라인 게재됐다.

태양광 수소 생산 기술의 상용화를 위해서는 광촉매의 에너지 전환 효율과 안정성, 생산 비용 등 여러 과제를 해결해야 한다. 이번 연구는 그 가운데 빛에 의해 생성된 전하의 손실을 줄이는 기초 원리를 규명했다는 점에서 의미가 있다. 실제 수소 생산량과 에너지 전환 효율의 개선으로 이어질 수 있을지가 앞으로의 관건이다.