기계/재료

중국과기대 물 광분해 수소제조용 신형 복합 촉매제 개발

발행일 : 2014 / 05 / 05

중국과학기술대학의 슝위제(熊宇杰) 교수가 이끄는 과제팀은 뤄이(罗毅) 연구팀과 협력연구를 통해 광분해 수소제조 분야에서 성과를 올렸다. 연구팀은 반도체-금속복합구조의 반도체 표면 결정면에 대한 디자인을 통해 최초로 반도체 고유의(Inner temperament) 전하공간분포와 반도체-금속 간 쇼트키 장벽(schottky barrier) 구동의 전하전이에 관한 협동효과를 최초로 실현하였고 나아가 성능을 뚜렷하게 개선할 수 있는 물 광분해 수소제조 촉매제를 개발했다. 이 연구성과는 “Germany applied chemistry”지에 발표되었는데 논문의 공동 제1저자는 박사과정에 있는 왕리리(王利利)와 거징(葛晶)이다.

그동안 업계는 반도체와 금속 간의 쇼트키 장벽을 이용해 반도체의 광생성전자공(photogenerated electron hole)에 대한 분리와 광촉매 양자효율을 높였고, 관련 복합구조 촉매제 설계과정에서 반도체의 표면 일함수(work function)를 장벽 형성여부를 결정하는 주요 변수로 삼았다. 연구팀은 반도체-금속복합구조에 대한 쇼트키 접합(schottky junction) 설계와 광침전(photodeposition) 실험 및 이론모의를 통해 반도체 결정면의 표면 일함수에 매우 큰 격차가 존재하며, 광레이저의 반도체 내부 전자와 홀이 각각 서로 다른 표면 결정면으로의 이동을 유발하기 때문에 결정면 의존성을 지닌 공간전하분포와 분리를 초래한다는 것을 밝혔다.

이 발견을 토대로 연구팀은 복합구조 중의 반도체 결정면 제어를 통해 쇼트키 접합 계면의 전하 전이와 반도체 고유의 공간전하분포라는 2개의 시너지효과를 보았다. 또한 초고속 스펙트럼과 동력학 특성 및 광전류 측정을 통해 전자공 분리효율을 수십배 높였고 복합구조 설계를 통해 광촉매 활성을 뚜렷하게 개선할 수 있었다. 이러한 획기적인 성과는 복합구조재료의 전하행위를 깊이 인식하고 물 광분해를 통한 수소제조 촉매제를 설계하는데 의의가 크다.