태양에너지는 21세기 가장 깨끗한 에너지이고 태양광 물분해 수소제조는 태양복사에너지를 수소에너지로 직접 전환할 수 있는 경로이며 발전 잠재력이 있는 새로운 에너지기술이다. 보조 촉매제는 광생성 전하분리(photogenerated charge separation)를 촉진하고 반응 활성 부위를 제공하는 작용이 있어 이미 광범위하게 광촉매 영역에 응용되고 있다.

비록 귀금속 백금(Pt)재료가 우수한 태양광 물분해 수소제조의 보조 촉매제라는 것을 증명하였지만 높은 비용으로 인해 사람들은 백금 사용량을 낮추는 방법을 줄곧 찾았다. 중국과학기술대학교 교수 Yu-jiu Xiong 프로젝트 팀은 이 난관에 초첨을 맞춰 원자 정밀층 구조(atomic precision shell structure)가 있는 보조 촉매제를 설계하였고，귀금속 백금 사용량을 낮추는 동시에 태양광 물분해 수소제조 성능을 대폭 제고하였다.

이 연구성과는 최근 《독일응용화학》(Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201508024에 온라인으로 발표되었고 이 저널의 VIP Paper로 선정되었다.

이 연구의 혁신 포인트를 보면, 연구원들은 프로젝트팀이 기존에 발전시킨 경계면 편극 전하 작용 메커니즘에 기초하여 원자 정밀층이 있는 팔라듐(pd)-백금 뉴클레오캡시드(nucleocapsid) 구조인 보조 촉매제를 설계하였다.

이 기발한 설계는 팔라듐-백금 금속 간의 전위차를 반도체에서 광생성 전자의 “운동” 추진력으로 작용하는 것을 이용하여 전자가 자발적으로 반도체에서 금속 팔라듐, 백금으로 이동하게 하였고 마지막에 금속 백금층 바깥 표면에 집중시켜 금속 백금 표면의 고효율 태양광 물분해 수소제조 반응을 촉진하였다.

협력자 Jun Jiang은 이론모의방법으로 전하 변화과정을 묘사하였고 Jun-ling Lu 프로젝트 팀은 일산화탄소를 분자탐침으로 하여 적외스펙트럼에서 전하가 금속 백금 표면에서의 선택적 집중효과를 명확하게 반영하였고 이 작용의 메커니즘을 증명하였다.

이 경계면 편파(polarization) 작용 메커니즘은 원자층 두께에 초점을 맞추어 원자 정밀도의 높은 요구를 제기하였다. 이를 기초로 연구원들은 원자층 두께의 정확한 제어합성방법을 발전시켰고 비용이 높은 원자층 증착기술을 사용하지 않고서도 액체상 체계에서 소량 원자층 두께의 금속층을 생성할 수 있다.

이 기술의 발전에 기초하여 태양광 물분해 수소제조 효율은 보조 촉매제가 없는 반도체 촉매제에 비해 322배 제고되었고 전통적인 순수 백금 보조 촉매제의 반도체 광촉매 시스템에 비해 8.2배 높다. 이와 동시에 이 설계는 상대적으로 싼 팔라듐 핵자로 금속 백금을 대체하였고 일정한 정도에서 재료비용을 낮추었다.

이 연구는 새로운 경계면 공정 사로의 방향을 제기하였고 사람들이 태양에너지-화학 전환에서의 전자운동 “미세엔진”에 대한 제어능력을 확장할 것이며 고효율 광 촉매제에 대한 이성적 설계에 추진작용을 한다.

이 연구는 과학기술부“973”계획, 국가자연과학기금, 국가청년천인계획, 중국과학원 백인계획, 학교 중요방향프로젝트 배양기금 등 프로젝트의 지원을 받았다.

그림: 원자 정밀도가 있는 태양광 물분해 수소제조의 보조 촉매제 작용원리

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 10월 27일]