플로리다 주립대학(Florida State University researcher)의 연구진은 광합성과 유사한 작용을 하는 새로운 인공 물질을 개발했다. 이 인공 물질은 적층형 망간 산화물로 구성되었고, 지속 가능한 에너지원으로 사용될 수 있을 것이다.
Journal of Physical Chemistry에 게재된 최근 연구에서, 이번 연구진은 새로운 재료가 태양광을 어떻게 효율적으로 포집하고 이런 에너지가 물을 산소와 수소로 어떻게 분리하는지를 상세하게 소개했다. 이 프로세스는 산화로 알려졌고, 식물이 물과 탄수화물을 분해하기 위해서 태양광을 사용하는 광합성 동안에 발생하는 것이다. 이것은 식물을 위한 주요 에너지원이다.
이 연구결과는 이런 프로세스가 탄소 중립적인 방법으로 새로운 에너지원을 생성할 수 있다는 것을 보여준다. 잠재적으로, 수소는 다른 곳으로 이송되어서 연료로 사용될 수 있다. “이론적으로, 이것은 자급자족 에너지원이 될 수 있다”고 Mendoza-Cortes가 말했다. “아마 향후에, 당신은 지붕 위에 이 재료를 설치해서 태양의 도움으로 빗물을 에너지원으로 사용할 수 있을 것”이라고 Mendoza-Cortes가 설명했다. 그러나 다른 많은 에너지원과는 달리, 이것은 환경에 부정적인 영향을 가지지 않는다.
이번 연구진은 적층형 망간 산화물의 구조와 전기적 특성에 대한 포괄적인 연구를 수행했다. 이번 연구진은 서로 다른 치환형 양이온(Li+, Na+, K+, Be2+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Zn2+, B3+, Al3+, Ga3+, Sc3+, Y3+)의 영향을 조사했다. 얀-텔러 효과(Jahn–Teller effect)와 Mn3+ 센터의 정렬이 2.63eV~2.20eV의 간접 밴드갭을 3.09 eV~2.50eV의 직접 밴드갭으로 조절할 수 있는 방법을 제공했다. 구조의 밴드갭을 정렬함으로써, 이번 연구진은 Sr, Ca, B, Al을 가진 구조들이 물 분리에 유용하다는 것을 증명했다.
“이 방법을 사용하면, 당신은 이산화탄소 또는 폐기물을 생성하지 않을 것”이라고 그는 말했다. 이번 연구진은 물을 분해하는 프로세스 동안에 부식되지 않는 재료를 저렴하게 만들 수 있는 방법을 개발하기 시작했다. 이것을 수행하기 위해서, 이번 연구진은 버네사이트(birnessite)라고 일반적으로 알려진 망간 산화물로부터 다층 물질을 만들었다. 이번 연구진이 재료의 재료의 단일 층을 박리할 때 흥미로운 현상을 발견했다. 이것은 훨씬 더 빠른 속도로 빛을 포집하기 시작한다는 점이다. 기술적인 측면에서, 이것은 간접 밴드갭 재료에서 직접 밴드갭 재료로 전환시켜준다.
빛은 흡수되지 않으면서 훨씬 더 쉽게 간접 밴드갭 재료를 투과할 수 있다. 예를 들어, 실리콘은 가장 일반적으로 알려진 간접 밴드갭 재료이다. 그러나 이 재료를 효율적으로 만들기 위해서, 실리콘 태양전지는 일반적으로 적층되고 수백 마이크로미터의 두께를 가지게 된다. 그들이 더 얇아질수록, 빛은 그들을 간단하게 통과한다.
효율적으로 빛을 포집하는 단일층 재료를 만드는 것은 매우 간단하고 매우 저렴하게 만들 수 있기 때문에 훨씬 더 바람직한 결과를 초래한다. “이것은 이런 직접 밴드갭 재료의 발견이 매우 흥미롭게 하는 이유이다” 라고 Mendoza-Cortes가 말했다. “이것은 저렴하고 효율적이고 당신이 연료 제조를 수행하기 위해서 충분한 태양광을 수집하는데 많은 양이 필요하지 않게 한다”고 Mendoza-Cortes가 덧붙였다. 이 연구결과는 Journal of Physical Chemistry에 “Birnessite: A Layered Manganese Oxide To Capture Sunlight for Water-Splitting Catalysis” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b07860).
그림. 벌크 상태의 버네사이트(왼쪽)와 표면의 버네사이트(오른쪽)의 구조 및 특성 비교.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 11월 06일]
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Artificial material mimics photosynthesis
A Florida State University researcher has discovered an artificial material that mimics photosynthesis and potentially creates a sustainable energy source.
In The Journal of Physical Chemistry ("Birnessite: A Layered Manganese Oxide To Capture Sunlight for Water-Splitting Catalysis"), Assistant Professor of Chemical Engineering Jose L. Mendoza-Cortes details how this new material efficiently captures sunlight and then, how the energy can be used to break down water into oxygen (O2) and hydrogen (H2). This process is known as oxidation, and it is also what happens during photosynthesis when a plant uses light to break down water and carbohydrates, which are the main energy sources for the plant.
His discovery generates exciting new prospects for how this process could be used to forge new energy sources in a carbon neutral way. Potentially, hydrogen could be transported to other locations and burned as fuel.
"In theory, this should be a self-sustaining energy source," Mendoza-Cortes said. "Perhaps in the future, you could put this material on your roof and it could turn rain water into energy with the help of the sun."
But, unlike many other energy sources, this won't have a negative effect on the environment. "You won't generate carbon dioxide or waste," he said. Mendoza-Cortes, a computational and theoretical chemist, said the challenge he faced was designing something that didn't rust from the process of breaking down water that also trapped the energy and was inexpensive to create. To do this, he initially developed a multilayered material out of manganese oxide, commonly known as birnessite.
But something exciting happened when Mendoza-Cortes and his team peeled back the layers of the material so just a single layer of the material remained -- it began trapping light at a much faster rate. In technical terms, it transitioned from an indirect band gap material to a direct band gap one.
Light with photo energy can penetrate indirect band gap materials much more easily without getting absorbed and used for other purposes. Silicon, for example, is the most commonly known indirect gap band material. But to make the material effective, silicon solar cells are typically stacked and thus hundreds of micrometers thick. If they were any thinner, light would simply pass through them.
Creating a single-layer material that can efficiently trap light is a much more desirable outcome because it is much simpler and cheaper to manufacture.
"This is why the discovery of this direct band gap material is so exciting," Mendoza-Cortes said. "It is cheap, it is efficient and you do not need a large amount to capture enough sunlight to carry out fuel generation."
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