중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 산하 ‘촉매 기초 국가 중점 실험실’ 및 ‘청정 에너지 국가 실험실’ 산하 ‘태양 에너지 연구부’ 연구원이며 중국과학원 원사(院士)인 리찬(李燦)과 장푸샹(章福祥), 천산산(陳閃山) 연구원 등 연구인원들은 일본 도쿄(東京)대학 Kazunari Domen 교수 연구팀과 협력하여 가시광선 구동의 광 촉매 Z 메커니즘 하에서 완전한 물 분해를 통해 수소를 제조하는 연구에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다.
연구팀은 이번 연구를 통해 1단계 질소화 합성의 MgTa2O6−xNy/TaON 이종접합 재료(최장 흡수 가능한 파장은 570nm 수준에 달함)를 이용하여 광 생성 전하 분리를 효과적으로 추진하고 이종 접합 재료에 기반하여 구축한 와이드 라이트 스펙트럼(Wide light spectrum) 응답(Response)의 Z 메커니즘 하에서 완전한 물 분해를 통해 수소를 제조하는 시스템을 구축하였다.
이런 시스템의 표면 양자 효율(apparent quantum efficiency)은 지금까지 보도된 문헌 중에서 최고 수치(AQE: 6.8%@420 nm)에 도달하는 것으로 나타났다. 관련 연구 성과는 ‘독일 응용 화학’ 학술지에 발표되었다.
광 촉매를 이용한 물 분해를 통해 수소를 제조하는 방법은 에너지 위기와 환경 오염 문제를 해결하는 이상적인 방법 중 하나가 되고 있다. 와이드 라이트 스펙트럼 응답 반도체 재료의 개발과 응용은 태양 에너지의 효율적인 광 화학 전환의 전제 조건과 기초로 된다.
최근 리찬(李燦) 원사(院士) 연구팀은 신형 와이드 라이트 스펙트럼(Wide light spectrum) 응답(Response) 반도체 재료 개발을 지속적으로 추진해 온 상황이다. 연구팀은 다양한 레이어드(Layered) 혹은 터널(Tunnel) 상태의 와이드 밴드갭 반도체 재료(Wide band gap semiconductor material)에 대한 질소 도핑 처리(Nitrogen-doped processing)를 통해 효과적인 와이드 라이트 스펙트럼 흡수와 이용을 실현한 동시에 관련 실험을 통해 이런 유형의 신형 반도체가 광 촉매를 통해 물 분해 재료를 생성시킬 수 있는 가능성을 입증하는데 성공하였다(J. Mater. Chem. A, 2013, 12, 5651；Chem. Commun., 2014, 50, 14415；Chin. J. Catal., 2014, 35, 1431).
하지만 이런 유형의 반도체 재료는 광 생성 캐리어 분리 효율이 낮은 문제점을 함유하고 있다. 이런 상황에 근거하여 연구팀은 이종 접합, 이종 위상 접합, 심지어 결정 면 간의 전하 분리 등 전략을 통해 원천적으로 재료의 광 생성 전하 분리 효율을 향상시키기 위한 연구를 지속적으로 추진해 온 상황이다.
최근 연구팀은 한층 더 심층적인 연구를 통해 일종 새로운 질소 합성 전략을 디자인한 동시에 질소 도핑 화합물과 질산화물에 기반한 MgTa2O6−xNy/TaON 이종 접합 구조를 개발함으로써 광 생성 전하의 분리 효율과 광 촉매 Z메커니즘 하에서 완전한 물 분해를 통해 수소를 제조하는 성능을 대폭 향상시켰으며 문헌에서 보도된 분말 광 촉매 Z 메커니즘 하에서의 물 분해 시스템에서 최고 수준에 도달한 표현 양자 효율을 취득하는데 성공하였다.
연구팀은 이번 연구를 통해 이종 접합 구축이라는 새로운 방법을 제공하였을 뿐만 아니라 신형 재료에 대한 연구개발에서 완전한 물 분해를 통해 수소를 제조하는 체인에 이르기까지의 전체적인 시스템을 개발함으로써 향후 가시광선 하에서 완전한 물 분해를 통해 수소를 효율적으로 제조하는 과정을 실현할 수 있는 중요한 기반을 구축하였다.
이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 ‘중대 과학연구 기금 프로젝트’ 비용 및 ‘A3 국제 협력 기금 프로젝트’ 비용, 국가과학기술부의 ‘중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)’ 비용, 중국과학원의 ‘백인계획(百人計劃) 프로그램’ 중의 ‘우선 선택 프로젝트’ 비용 지원을 받아 실행되었다.
그림 1. 와이드 라이트 스펙트럼(Wide light spectrum) 응답(Response)의 광 촉매 물 분해를 통한 수소 제조
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