최근, 중국과학기술대학교 교수 Ping-wu Du 프로젝트팀은 높은 전환율을 가지고 있는 비귀금속 가시광선 촉매로 수소제조하는 시스템을 설계하여 개발하였고 연구성과는 "에너지와 환경과학" 표지에 타이틀로 발표되었다. 논문 제1저자는 프로젝트팀 석사과정 연구생 Zi-jun Sun이다.

전통적인 석유와 화석 에너지의 소비는 지구온난화, 환경오염과 에너지 부족 등 문제를 일으키며 현재 인류가 직면한 중요한 도전이다. 이러한 배경에서 낮은 에너지 소비, 낮은 오염을 기초로 하는 저탄소경제는 전세계가 주목하고 연구하는 화제이다. 수소는 고효율적이고 깨끗한 2차 에너지 운반체로서 미래인류의 중요한 청정에너지 근원이다. 이리하여 오염이 없는 수소에너지의 개발과 이용은 저탄소경제를 실현하는 중요한 경로이다. 오염이 없고 비용이 낮은 수소제조 기술의 개발은 날따라 각국의 높은 관심을 받고 있다. 고효율적이고 저비용인 광촉매 시스템을 설계하여 빛을 흡수하고 물을 분해하여 수소를 제조하는 것을 통해 태양에너지를 수소에너지로 전환할 수 있는 가능성을 보였다.

이 연구팀은 전기 연구에서 전이금속인 인화물이 보조촉진제로 아주 양호한 광촉매 수소 생성 성질을 가지고 있어 copper phosphide, 인화 몰리브덴(molybdenum) 등 인화물을 반도체에 부하시키고 효율적으로 반도체 광촉매 수소 생성 효율을 제고시킬 수 있다는 것을 발견했다(J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 10243-10247；J. Mater. Chem. A，2015, 3, 16941-16947). 전기 연구내용에 기초하여 이 연구팀은 용제열법으로 교묘하게 신형 Ni2P보조촉진제를 CdS 반도체에 연결하여 분포가 균일하고 접촉이 긴밀한 Ni2P/CdS복합구조를 얻었고 실험데이터와 스펙트럼 표징에서 이 구조가 효율적으로 CdS광전자의 이동을 촉진한다는 것을 증명하였으며 이로써 전자정공쌍의 복합을 제어하고 광촉매 수소제조 성능을 제고하였다.

외부전자 수여체가 결합하는 초고속 순간상태 스펙트럼을 통하여 광촉매 과정의 반응메커니즘을 연구하였고 괘속전자 이동과정을 발견하였다. Na2S/Na2SO3전자공여체가 존재하는 조건에서 촉매제는 고효율적인 광촉매 수소제조(수소 생성 속도가 1,200μmol/h/mg에 달하고 90시간 내 전환 수 TON은 3,270,000에 달하고 TOF는 36,400/h for Ni2P)를 실현하였다. 원가가격이 싸고 기능이 우수하며 제조가 간단하기에 이 재료는 고효율 광촉매 수소제조 시스템응용에서 중요한 연구전망이 보인다.

위의 연구는 중앙조직부 청년 천인계획, 에너지재료화학협동혁신센터, 국가자연과학기금위원회 전반업무 프로젝트, 신세계우수인재 등의 지원을 받았다.

그림: 연구성과는 “에너지와 환경과학” 표지에 타이틀로 발표된 현황

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 9월 22일]