세계적으로 에너지와 환경 문제가 심각해짐에 따라, 최근 들어 광촉매(photocatalyst) 물 분해를 통해 수소를 제조하고 이산화탄소를 환원하는 연구가 학술계에서 큰 주목을 받고 있다. 이 중 광촉매 물 분해는 가장 도전적인 과제로 지목 받고 있다. 만약 광촉매 물 분해 분야에서 획기적인 성과가 나타나면 세계 에너지 패턴에 영향을 미칠 수 있을 것으로 전망된다.

광촉매 물 분해를 실현하는 가장 핵심적인 포인트는 ‘고효과적인 광촉매제를 발전시키고 이를 기반으로 고효과 광촉매화나 광촉매화 체계를 구축하는 것’이라고 관계자들은 예상하고 있다.

최근 중국 과학원 다아롄(大?)화학물리연구소 리찬(李?) 원사가 주도하는 태양에너지 연구실의 연구진은 BiVO 등 반도체에서 다른 결정면 간의 전하 분리 효과를 발견(Nature Commun., 4, 1432, 2013，Rengui Li, Fuxiang Zhang, Hongxian Han and Can Li et al)한 뒤를 이어 관련 연구를 동채 분야에서 새로운 성과를 올렸다.

반도체 광촉매제의 다른 결정면 간의 전하 분리 효과를 이용하여 산화 환원을 조립 디자인해 이중 프로모터(Dual promoter)가 광촉매제를 다른 결정면에 노출시킴으로써 광촉매제 활성을 두 개 단계 업그레이드시키는 결과를 얻었다. 이를 통해 결정면 간의 광 발생 전하(Photo-generated charge) 분리의 효과와 이중 프로모터의 협력 작용을 확정했으며 또 고효과 광촉매저 합성을 디자인하는데 전략적 근거를 제공할 수 있는 길을 열었다.

위의 연구 성과는 최근 에너지와 환경과학 분야 학술지인 ‘Energy & Environmental Science’(Energy Environ. Sci., 2014, DOI:C3EE43304H, Rengui Li, Hongxian Han, Fuxiang Zhang , Donge Wang and Can Li)에 게재되었다.

전 단계에서 발견된 반도체 광촉매제의 다른 결정면 간의 광 발생 전하 분리 효과를 기반으로 본 연구 과제는 다른 산화와 환원 이중 프로모터가 각기 선택적으로 광촉매제BiVO의 (110)과 (010)이란 같지 않는 결전면에 탑재시켜 광촉매 물 분해의 활성을 두 개 단계 이상 향상되게 하는 것이다.

리찬(李?) 원사가 주도하는 태양에너지 연구실의 연구는 연구를 통해 각각 하나의 프로모터 촉매제에 탑재될 경우 활정이 일정한 정도로 업그레이드될 수 있지만 이중 프로모터 촉매제가 선택적으로 특정 결제면에 탑재되었을 경우에만 상호 협력 작용이 일어나 광촉매 물 분해 활성이 대폭 향상된다는 것을 발견하였다.

이와 함께 위와 같은 전략으로 제조된 광촉매제를 광촉매 산화 분해를 이용한 여러 가지 오염물의 반응 중에서도 같는 효과가 나타나 광촉매 활성을 현저하게 높인다는 것을 발견했을 뿐만 아니라 이중 프로모터 촉매제가 다른 결정면에서 선택적으로 답재되어 협동적으로 광촉매 반응을 촉진하는 메커니즘을 확인하였다. 이는 이성적으로 반도체를 기반한 광촉매 체계를 디자인하고 이를 통해 고효과적인 광촉매 물 분해를 실현하는데 새로운 아이디어를 제시해 준다

한편 본 연구과제는 중국 국가 자연과학기금 중대 포르젝트와 중국 과학기술부 ‘973 프로젝트(기초과학 프로젝트)’의 예산 지원을 받아 수행되었다.

 

[원문출처 : http://www.cas.ac.cn/ky/kyjz/201402/t20140227_4041525.shtml]