기초과학

이산화타이타늄 표면 광촉매법을 이용한 수소제조 연구성과

발행일 : 2013 / 08 / 02

최근 중국과학원 대련화학물리연구소의 양쉐밍(杨学明) 원사가 이끌고 있는 연구팀은 “메탄올의 TiO2(110)표면에서 광촉매법을 이용한 수소제조”연구에서 성과를 올렸다. 관련 연구논문은 “American Chemical Society” 최신호에 발표되었다.

이산화타이타늄의 광촉매를 이용한 물분해 과정에서 메탄올을 첨가하면 수소생성효율을 높일 수 있는 동시에 메탄올 자체도 광촉매를 통해 수소제조가 가능하다. 하지만 메탄올 광촉매를 이용한 수소제조에 관한 화학반응 메커니즘은 규명된 바가 없기 때문에, 분자차원에서 이러한 과정을 분석할 수 있다면 고효율 촉매제 개발을 위해 새로운 아이디어를 제공할 수 있을 것이다.

양쉐밍 연구팀은 자체 개발한 고민감도 질량분석법 기반의 표면광화학장치를 이용해 단일분자층(ML) 메탄올을 코팅한 이산화타이타늄 표면을 자외선으로 조사한 후 그 반응동력학과정에 대해 체계적인 연구를 수행했다.

초기 연구결과, 메탄올은 광조사 과정에서 O-H 결합 및 C-H 결합이 파열되면서 포름알데히드를 형성하며, 분리되어 나온 대량의 수소원자는 주변의 가교산소원자로 이동하여 BBO-H를 형성하기 때문에 수소가 형성되지 않음을 발견하였다.

최근 연구결과, 이산화타이타늄의 표면 온도가 올라가는 과정에서 일부 수소원자는 표면의 가교산소원자를 빼앗아 물분자 형태로 표면에서 탈리되어 나오기 때문에, 표면 산소 공격자점(vacancy)이 생기며, 다만 소량의 수소원자만 수소기체 형태로 합성되면서 탈리되어 나오는 현상을 발견하였다. 표면 산소 공격자점 농도가 높아짐에 따라 가교 산소에 남은 수소원자는 더욱 쉽게 수소분자 형태로 합성되면서 탈리되어 나온다.

이 연구성과는 금속 도핑형 이산화타이타늄 광촉매제의 광촉매를 통한 수소제조과정을 깊이 연구하고 분석하는데 도움이 되며, 또한 신형의 촉매제의 개발을 위해 새로운 실마리를 제공하였다는 점에서 의의가 크다.