| 가시광선 조건에서 H2O와 CO2를 천연가스로 전환에 성공 | ||
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 최근, 중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 촉매화기초국가중점실험실·태양에너지연구부 연구원 리찬(李燦) 원사는 푸저우(福州)대학 화학학원 교수 왕쉬쉬(王緒緒) 프로젝트팀과 공동으로 가시광 조건에서 H2O와 CO2를 메탄(천연가스)으로 고효율 전환시킬 수 있는 고체 Z-기작 복합 광촉매를 개발하여 태양에너지 인공광합성 연료 과정을 구현하였다. 해당 연구논문은 Visible-Light driven overall conversion of CO2 and H2O to CH4 and O2 on 3D-SiC@2D-MoS2 heterostructure라는 제목으로 미국 화학회지(J. Am. Chem. Soc.)에 게재되었다. 인공광합성 태양연료는 태양에너지 등 재생 가능 에너지를 이용한 광촉매, 광전기촉매 또는 전기촉매를 통하여 물과 이산화탄소를 화학연료로 전환시키는 과정이다. 해당 과정은 자연광합성 작용의 모사로서 인류가 에너지와 환경문제를 해결하는 근본적인 경로이다. 인공광합성 태양연료 과정은 몇 단계 반응이 포함되는데 그 중에서 태양에너지+CO2+2H2O→CH4+2O2반응은 8개 전자와 관련된 다단계 반응으로서 가장 핵심적인 반응이다. 기존에 해당 반응에 대한 연구가 진행되었지만 이상적인 반응 효과를 구현하지 못하였다. 최근 연구에서 광촉매에 의한 CH4생성 반응을 구현하였지만 해당 반응은 대부분 희생제(Sacrificial agent)가 존재하는 상황에서 거둔 성과이며 또한 산소가 방출되지 않거나 산소 방출량이 화학양론비보다 훨씬 낮기에 진정한 의미에서의 태양에너지가 화학에너지로 전환되는 반응이 아니다. 물을 계량적으로 산소(또는 과산화수소)로 산화시킴과 아울러 이산화탄소를 고효율적으로 메탄으로 환원시키는 광촉매 과정이 진정한 의미에서 태양에너지가 화학에너지로의 전환이다. 연구팀은 나노결정(3D-SiC)과 2차원 나노시트(2D-MoS2)를 이용하고 정전기적 어셈블리 기술을 통하여 만수국(French marigold) 형태의 2형 헤테로 접합 및 Z-scheme 반도체 구조를 보유한 "나노꽃(Nanoflowers)" 촉매를 제작하였다. 해당 3D-SiC@2D-MoS2촉매는 가시광 조사 조건에서 323μLg-1h-1에 달하는 메탄 생성률 및 620μLg-1h-1산소 방출률을 구현하였으며 400nm 광조사 조건에서 메탄의 광전환 생성률은 1.75%에 달하였다. 이는 현재 가시광 조건에서 CO2를 순수한 물로 환원시켜 구현한 최대 생성률이다. 상세한 생성물 분포 분석과 동위원소 추적 등 실험 및 메커니즘 연구 결과, H2O가 산화됨과 아울러 CO2는 광촉매 조건에서 CO2→HCOOH→HCHO→CH3OH→CH4수소화 경로에 따라 메탄으로 환원되었다. 특히 해당 연구과정에서 화학양론비의 산소와 메탄(산소/메탄 몰비 2에 접근)을 검출할 수 있으며 동위원소 실험으로도 화학양론 산소의 생성을 입증하였는데 이는 해당 분야의 학술연구 및 인공광합성 수행에 중요한 참고적 의미가 있다. 본 연구는 인공광합성 태양연료 구현에 새로운 경로를 제공하였다. 정보출처 : https://mp.weixin.qq.com/s/qMdZFayOk9ne0RmMnTRskg |
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