햇빛의 도움으로 물로부터 수소를 발생시키는 새로운 다공성 실리콘 광촉매가 광전자공학, 생체감지기 및 배터리 분야에서 응용될 수 있을 것이다. “다공성 결정 실리콘은 표면적이 크고 ‘자가주형 기공형성 과정(self-templating pore formation process)’을 통해 기공의 크기를 조절할 수 있는 물질”이라고 펜실베이니아주립대(Pennsylvania State University) 연구진은 말했다. “이 다공성 실리콘은 햇빛으로부터 대량의 수소를 발생시킬 수 있다. 다공성 실리콘은 표면적이 크다. 다공성 실리콘은 널리 사용되고 있으며 응용분야가 많다”고 같은 대학 공학 조교수이자 연구진의 일원인 동하이 왕(Donghai Wang)은 말했다. 

다공성 실리콘을 제조하는 일반적인 방법은 조각을 만들 때와 비슷한 제거 방식이다. “실리콘이 중요한 재료인 이유는 반도체이기 때문이다. 전형적으로 다공성 실리콘은 많은 재료가 손실되는 공정인 식각(etching)에 의해 생산된다”고 왕은 말했다. 이번 연구에서 왕과 동료들은 실리콘의 저렴한 원천인 사염화규소(silicon tetrachloride)를 이용하여 다공성 재료를 제조하는 화학적 기반의 방법을 발견했다. 

사염화규소에서의 실리콘과 염소 사이의 결합은 매우 강하므로 강한 환원제를 필요로 한다. "나트륨칼륨 합금이 그와 같은 환원제"라고 왕은 말했다. 일단 결합이 깨지면, 염소는 나트륨, 칼륨 및 실리콘과 결합하고, 염화칼륨과 염화나트륨은 고체가 되어, 실리콘에 염이 포함된 결정들로 구성된 물질을 형성한다. 그런 뒤에 이 물질을 열처리한 뒤 물로 세척하여 염을 용해시키면, 5~15nm 범위의 크기를 가진 기공들이 남게 된다. 

이러한 실리콘 입자들은 많은 기공들을 갖고 있기 때문에, 표면적이 크고 햇빛이 이러한 다공성 실리콘과 물에 비춰졌을 때 효과적인 촉매의 역할을 한다. 햇빛의 에너지가 전자를 여기시키면, 물이 감소되어 수소 가스가 발생될 수 있다. 이 과정은 보통보다 더 큰 이 재료의 밴드갭에 의해 촉진되며, 이러한 밴드갭은 나노규모 크기의 실리콘 정자(crystallites)로부터 기인한다. 연구진은 또한 이 다공성 실리콘을 리튬 이온 배터리의 양극으로 이용할 생각도 갖고 있다. “산업 수준에서 나트륨칼륨 합금을 이용하는 공정들로는 몇 가지가 있다. 그래서 우리는 그 방식들을 채용하여 이 새로운 종류의 다공성 실리콘을 제조할 수 있다”고 왕은 말했다. 이번 연구는 미국 에너지부와 안보위협감소국(Defense Threat Reduction Agency)으로부터 자금을 제공받았으며, ‘Nature Communications (doi: 10.1038/ncomms4605)’에 발표되었다.