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실내 조명 빛만으로 수소를 생산하는 '인공 나뭇잎'이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 그동안 단순히 밝히는 데 쓰이던 조명 전력을 재활용해 청정 수소를 생산할 수 있는 가능성이 열린 셈이다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장지현 교수 연구팀은 LED 조명 아래에서도 수소를 만들어내는 인공 나뭇잎 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

인공 나뭇잎의 핵심은 식물의 엽록소 역할을 하는 '광전극'이다. 빛을 받으면 전기를 띤 입자(전하)를 만들어내고, 이 전하가 물과 반응해 수소를 만들어낸다.

연구팀은 실내처럼 약한 빛도 잘 흡수하는 황화물(CdS)을 광전극 소재로 사용했다. 여기서 생성된 전하는 이산화티타늄(TiO₂) 층을 거쳐 뒤쪽의 수소 생산 촉매(3차원 니켈)로 이동하고, 그 표면에서 물과 반응해 수소가 발생한다.

특히 약한 실내조명은 황화물이 강한 빛에서 겪는 '광부식' 현상을 줄여 내구성을 높이는 장점이 있다. 연구팀은 여기에 이산화티타늄 접합 구조와 인산염 코팅을 더해 전하 손실을 줄이고 전하 이동 속도를 높여 효율과 안정성을 동시에 확보했다.

개발된 인공 나뭇잎은 외부 전압 없이 실내조명만으로도 약 119~120 마이크로암페어(μA/cm²)의 광전류를 기록했다. 이는 고가의 백금 촉매를 사용할 때와 비슷한 수준이며, 12시간 이후에도 초기 성능의 94%를 유지해 안정성도 입증했다.

광전류는 수소 생산량을 가늠하는 핵심 지표다. 또 값이 저렴하고 인쇄 방식으로 제작 가능한 3차원 니켈 촉매를 사용해 상용화에 유리한 구조도 구현했다.

연구팀은 85cm² 크기 인공 나뭇잎 4개를 연결한 대형 모듈도 제작했으며, 이 장치는 실내조명 환경에서 총 5밀리암페어(mA)의 광전류를 만들어냈다.

장지현 교수는 "실내조명은 날씨 영향을 받는 태양광과 달리 항상 일정하게 공급되는 에너지라는 장점이 있다"며 "이번 연구는 실내에서 낭비되던 빛을 수소 생산 에너지원으로 활용할 수 있음을 보여준 사례"라고 설명했다. 이어 "앞으로 수소를 더 효율적으로 분리·회수하는 기술까지 발전시키면 실내 기반 수소 생산 시스템으로 이어질 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

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