[중국] 실리콘 재료를 이용한 광분해 물로 수소를 제조하는 메커니즘 연구
수소는 일종 매우 청정할 뿐만 아니라 저장하고 운송할 수 있는 재생 가능한 에너지에 속한다. 때문에 태양 에너지를 이용하여 물을 분해하고 수소를 제조하는 기술은 현재 과학기술계와 산업계로부터 높은 관심을 받고 있는 청정 신 에너지 기술에 속하고 있다.
반도체 촉매는 태양광을 이용하여 물을 분해하고 수소를 제조하는 과정에서 매우 중요한 역할을 발휘하고 있는데 구체적으로 태양 광 에너지 캡처, 반응 장벽 감소, 에너지 소모 감소, 반응 속도 가속화 등 역할이 포함되어 있는 상황이다. 실리콘 재료는 지구 상에서 풍요도가 제일 높을 뿐만 아니라 응용이 제일 폭 넓은 반도체 재료로서 이미 태양 광을 이용하여 물을 분해하고 수소를 제조하는데 응용될 수 있다.
중국과학기술대학교 슝위졔(熊宇杰) 교수 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 최초로 실리콘 나노 와이어 표면에서 ‘광분해 물로 수소를 제조’하는 메커니즘을 해석하는데 성공하였을 뿐만 아니라 수소 제조 성능 형상을 위해 혁신적인 루트를 제공하여 이슈가 되고 있다. 관련 연구 결과는 ‘독일 응용 화학’ 학술지에 발표되었으며 동 학술지의 ‘핫 페이퍼(Hot Paper)’로 선정되었다. 이번 논문의 공동 제1저자는 슝위졔 교수 연구팀의 박사과정 학생인 류뚱(劉東)과 리레이레이(李磊磊)이다.
연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 교묘하게 마이크로 나노 제조 기술(톱다운(Top-down))과 습식 화학 방법(보텀업(bottom-up))을 결합하여 고도의 선택성으로 실리콘 나노 와이어 배열을 보유한 표면 댕글링 결합(dangling bonds) 타입과 수량에 대한 조정 제어를 실현하는데 성공하였다.
연구팀은 시스템 적외선 스펙트럼에 대한 모니터링에 기반하고 광 촉매를 이용하여 수소를 생성시키는 비율 및 ‘여기자 평균 수명(Exciton average life)’과 표면 댕글링 결합을 연결시킴으로써 실리콘 재료 표면 댕글링 결합이 광 촉매 응용 과정에서 핵심적 역할을 발휘한다는 점을 입증하는데 성공하였다.
연구팀은 이번 연구를 통해 연구팀이 구축한 시스템을 이용하여 생성시킨 수소와 산소의 비례가 일반적으로 생각하는 화학 계량 비례를 대폭 초월하기 때문에 연구팀이 개발한 수소 제조 기술로 수소를 생성시키는 메커니즘은 전통적인 광 촉매를 이용하여 수소를 생성시키는 메커니즘과 차별화된다는 점을 발견하였다.
중국과학기술대학교 슝위졔(熊宇杰) 교수 연구팀의 장쥔(江俊) 교수 연구그룹은 관련 연구를 통해 예측 중의 표면 댕글링 결합이 전하 분리를 실현하는 과정에서 발휘하는 중대한 역할을 입증하였을 뿐만 아니라 다양한 댕글링 표면에서 발생하는 화학 반응 장벽을 스캐닝하는데 성공하였다.
연구팀은 이번 연구를 통해 최초로 실리콘 재료의 ‘광분해 물로 수소를 제조’하는 메커니즘을 해명하고 관련 반응 메커니즘을 확정하는데 성공하였다. 연구팀은 관련 역할 메커니즘을 해명한 기초 상에서 일반적인 반도체 산업 기술의 표면 화학 처리 방법에 기반하여 실리콘 나노 와이어 표면의 댕글링 결합 상태를 조정 제어하는 간단하고 신속한 루트를 제공하였으며 광 촉매를 이용한 수소 제조 성능을 효과적으로 조절할 수 있는 기술을 개발하였다.
연구팀은 이번 연구를 통해 새로운 표면 공정 기술을 개발하였으며 자연계의 풍부한 광 촉매를 효율적으로 이용할 수 있는 중요한 기술 수단을 제공하였다. 동시에 과학자들로 하여금 화학 변환 과정에서 존재하는 전자 운동 ‘미시 엔진’에 대한 제어 능력에 대해 폭넓은 이해를 할 수 있게 함으로써 효율적인 촉매 디자인을 위해 중요한 추진 역할을 발휘하였다.
이번 연구는 국가과학기술부의 ‘중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)’ 비용, 국가자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용, 중국 정부의 ‘청년 천인계획(千人計劃) 프로그램’ 비용, 중국과학원의 ‘백인계획(百人計劃) 프로그램’ 비용, 중국 정부의 ‘대학교 박사학위 과정 전문 과학연구 기금’ 비용, ‘대학교 중요 방향 프로젝트 육성 기금’ 비용 지원을 받아 실행되었다.
그림 1. 실리콘 나노 와이어 표면 광 촉매를 이용한 수소 제조 메커니즘 표시도
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 1월 28일]
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中国科大拨开硅材料“光解水制氢”机制的迷雾
众所周知，氢气是一种非常清洁且可储存运输的可再生能源，因此利用太阳能分解水制备氢气已成为一种备受关注的清洁新能源技术。半导体催化剂在光解水制氢过程中扮演着非常重要的角色，包括俘获光能、降低反应势垒、减少能耗、加快反应速度等。硅材料作为地球上丰度最高且应用最为广泛的半导体材料，早已有报道预言可用于光解水制氢技术。
近日，中国科学技术大学教授熊宇杰课题组首次揭示了硅纳米线表面“光解水制氢”的机制，并为其制氢性能的提高提供了新的途径。研究成果发表于《德国应用化学》，并被选为该期刊的热点论文（Hot Paper）。课题组的博士生刘东和李磊磊为共同第一作者。
研究人员巧妙地通过微纳制造技术（即自上而下）和湿化学方法（即自下而上）相结合，具有高度选择性地调控硅纳米线阵列的表面悬键类型和数量。基于系统红外光谱监测，研究团队得以将光催化产氢效率及激子平均寿命与表面悬键联系起来，从而凸显了硅材料表面悬键在光催化应用中的关键作用。另一方面，研究人员发现该过程产生的氢气和氧气的比例远高于常规思维中的化学计量比，因此与传统的光催化产氢机制应该有所差异。江俊教授课题组通过理论模拟，不但证实了预计中表面悬键对于电荷分离的贡献，而且扫描出在不同悬键表面所发生的化学反应势垒。基于该系列发现，研究团队首次拨开了硅材料“光解水制氢”机制的“面纱”，确定了其反应机制。在理解作用机制之后，研究人员开发出了一类基于常规半导体工业技术的表面化学处理方法，为调控位于硅纳米线表面的悬键状态提供了简捷途径，得以理性地调变其光催化制氢性能。
该研究工作提出了新的表面工程思路，为开发高效、自然界丰富的光催化剂铺筑有效道路，并将拓展人们对化学转化中电子运动“微观引擎”的控制能力，对高效催化剂的理性设计具有重要推动作用。
研究工作得到了科技部“973”计划、国家自然科学基金、国家青年千人计划、中科院百人计划、高等学校博士学科点专项科研基金、校重要方向项目培育基金等项目的资助。
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