기계/재료

중국과학기술대학, 비귀금속 수소생산용 광촉매 재료 개발

발행일 : 2015 / 09 / 19

최근 중국과학기술대학교 화학-재료과학대학 두핑우(杜平武) 교수 연구팀은 높은 전환율을 보유한 비귀금속 수소생산용 광촉매 재료를 개발하였으며 해당 재료는 인공광합성 수소생산의 우월한 성능과 안정성을 나타냈다. 해당 연구는 2015년 9월 1일에 표지 제목 형식으로 영국 왕립 화학회 유명 국제 학술지 <<Energy and Environmental Science>>에 발표되었다.

전통적인 석유와 화석에너지 소비는 지구온난화, 환경 오염, 에너지 부족 등 문제를 초래한다. 광합작용의 메카니즘을 통하여 효율적인 광촉매 시스템을 설계하고 광흡수 물분해 수소 제조를 구현하는 것은 태양 에너지를 수소 에너지로 전환하는 것은 이상적인 수소 제조 경로이다. 그러나 대량의 귀금속 촉매제를 사용하여 원가가 높다. 동시에 흡광 소재와 조촉매 사이 공간적 분포가 불균형하여 광유도 여기 상태 전자(light induced excited state electron)의 생성을 감소시킬 수 있으며 계면 여기 상태 전자(interface excited state electron)의 수명을 감소시켜 수소생산용 광촉매의 효율에 큰 영향을 미친다.

연구팀은 전이금속 인화물을 조촉매제로 할 때 양호한 광촉매 수소생산 성질을 나타낸다는 것을 발견하였다. 인산 구리(Cu3P),인화 몰리브덴 등 인화물을 반도체에 부하(load)하여 반도체 광촉매 수소생산 효율을 높였다. 이를 기반으로 연구팀은 용매열법을 이용하여 신형의 인화 니켈 조촉매제를 황화카드뮴 반도체 나노선에 부하하여 분포가 균일하고 접촉이 긴밀한 인화니켈/황화카드뮴 복합구조를 얻었으며 효율적이고 안정하고 저렴한 인공 광합성 촉매제를 획득하였다.

해당 복합구조는 복합재료내의 신속한 전자 전이과정을 효율적으로 촉진하였으며 여기 상태 전자의 불비활성화를 억제하여 가시광 광촉매 수소생산 성능을 향상시켰다. 또 황화나트륨/아황산 나트륨을 첨가하여 해당 촉매 재료의 효율적인 광촉매 수소생산을 구현하였다. 가시광선이 420나노미터 이상인 조건에서 1mg의 샘플이 시간당 수소를 제조하는 속도는 1,200μmol에 달하며 90시간 반응 전환횟수는 약 3,270,000에 달하였으며 인화 니켈 조촉매제에 기반한 시간당 반응횟수는 36,400에 달하였다.