본 학과의 김병현 교수 연구팀이 참여한 공동 연구팀(공동 교신저자: 전남대학교 강순형 교수)의 성과가 에너지 재료 분야 세계적 권위지인 ‘Advanced Energy Materials (IF: 26.0, JCR 상위 2.5%)'의 2025년 최신호에 게재되었습니다.

공동 연구팀은 인공광합성 기술의 효율과 내구성을 동시에 높이기 위해, 아연 인산염 (Zn₃(PO₄)₂) 나노 큐브 지지체 표면에 은(Ag)을 단일 원자(Single atom) 형태로 정밀하게 도핑하는 계면 제어 기술을 도입했습니다. 연구팀은 이렇게 개발된 촉매 (Ag_SA@Zn₃(PO₄)₂)를 고성능 광양극과 결합해 완전한 태양광 연료 생산 시스템을 구축했습니다. 그 결과, 외부 전력 공급 없이 태양광만으로 구동되는 환경에서 태양광-연료 전환 효율(STF) 4.7%를 달성했습니다. 또한 50시간 이상의 연속 구동 실험에서도 촉매의 구조가 붕괴되지 않고 일산화탄소(CO)를 안정적으로 생산하는 우수한 내구성을 실험을 통해 입증했습니다.

특히, 김병현 교수 연구팀는 이번 연구에서 밀도 범함수 이론(DFT) 계산을 통해 해당 촉매의 고성능 작동 원리를 양자역학적으로 규명했습니다. 또한, 은 단일 원자가 도입될 때 소재의 밴드 구조가 제어되어 전하 전달 통로가 형성됨을 확인했으며, 이것이 광생성 전자의 이동 효율을 극대화한다는 사실을 입증했습니다. 나아가 이러한 전자 구조의 변화가 이산화탄소 환원 반응의 핵심 중간체(*COOH)와의 흡착 에너지를 최적화하여, 일산화탄소(CO) 생성에 필요한 에너지 장벽을 낮추는 결정적인 요인임을 밝혀냈습니다.

이번 연구는 실험적 합성을 넘어 계산 과학을 통해 단일 원자 촉매의 작동 원리를 명확하게 제시한 점에서, 향후 데이터 기반의 합리적인 인공 광합성 소재 디자인에 기여할 중요한 성과로 기대됩니다.

논문명: Durable and Efficient Solar CO₂-to-CO Conversion Enabled by Single-Atom Ag on Zn₃(PO₄)₂ Cathode Coupled With a GaAs/Pt_SA@NiOOH Photoanode
게재지: Advanced Energy Materials (2025년 10월 출판/8월 온라인 게재)
DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202502953