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[성과] 성균관대 정재기 교수 연구팀, 외부 전압 없이 암모니아를 생산하는 고효율 탠덤 광음극 개발
2026-10-08
성균관대학교(총장 유지범) 에너지과학과 정재기 교수 연구팀, 울산과학기술원 에너지화학공학과 김진영 교수 연구팀, 부산대학교 화학교육과 이택호 교수 연구팀은 페로브스카이트-유기물 탠덤 소자에 구리-니켈 촉매를 결합한 광음극을 제작했다고 밝혔다. 연구팀은 외부 전압 없이 태양광으로 질산염을 암모니아로 전환하는 광전기화학 반응을 구현했다.
암모니아는 비료와 다양한 화학제품의 원료다. 농업 유출수와 폐수에 포함된 질산염을 암모니아로 바꾸면 유용한 자원으로 활용할 수 있다. 그러나 태양광만으로 이 반응을 구동하려면 광음극이 충분한 전압을 만들어야 하며, 양쪽 전극에서 일어나는 반응에 필요한 전압도 낮춰야 한다.
연구팀은 먼저 페로브스카이트* 층 아래의 자기조립 단분자막**을 수산화세슘으로 처리하고 산화알루미늄을 도입했다. 이를 통해 페로브스카이트 박막이 균일하게 형성되도록 하고, 전하가 이동하는 계면의 특성을 개선했다. 페로브스카이트-유기 탠덤 소자는 최고 26.24%의 광전변환효율을 기록했다.
*페로브스카이트: 빛을 흡수하여 전기를 생산하는 광활성 물질로, 뛰어난 광전 특성과 저렴한 제조 비용으로 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있음.
**자기조립 단분자막:분자들이 전극 표면에 스스로 배열해 형성하는 매우 얇은 층.
이어 연구팀은 니켈 금속판 위에 구리와 니켈을 함께 입힌 촉매를 탠덤 소자에 결합해 광음극을 제작했다. 외부 전압을 가하지 않은 상태에서 11.2 mA cm-2의 광전류밀도를 얻었다. 태양광-암모니아 전환 효율을 20분 측정 구간에서 최고 5.58%에 도달했다.
성균관대 정재기 교수는 “이번 연구는 태양전지가 만들어내는 전압을 높이는 동시에 촉매 반응에 필요한 전압을 낮춰, 외부 전압 없이 질산염을 암모니아로 전환한 성과”라며 “태양광을 이용한 자원 전환 기술을 설계하는 데 중요한 방향을 제시할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
울산과학기술원 김진영 교수와 부산대 이택호 교수는 “수산화세슘을 적용한 계면층은 균일한 페로브스카이트 박막 형성을 돕고, 광음극에 결합한 구리–니켈 촉매는 질산염 환원 반응이 더 쉽게 시작되도록 한다”고 설명했다.
이번 연구성과물은 한국연구재단(NRF)과 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행었으며, 10월 7일 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 세계적인 학술지인 Energy & Environmental Science에 온라인 게재되었다.
※ 논문명: Bias-free nitrate-to-ammonia conversion exceeding 5% solar-to-ammonia efficiency via perovskite–organic tandem photocathodes
※ 저널: Energy & Environmental Science
※ DOI: https://doi.org/10.1039/d6ee05167g