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[미국] 태양 물 분해 기술을 구현한 나노 기술 연구진
 미국 라이스 대학(Rice University) 소속의 연구진은 일광으로부터 에너지를 수확하여 물 분자를 분해함으로써 청정하고 재생 가능한 에너지로 전환하는 효율적인 새로운 방법을 증명했다.
이러한 방법은 일광으로 활성화되는 금 나노입자(light-activated gold nanoparticle)의 배열에 의존한다. 금 나노입자는 일광을 수확하여, 전자를 여기시키기 위하여 태양 에너지(solar energy)를 전달한다. 과학자들은 여기된 전자를 열전자(hot electron)라고 언급한다. 관련 연구는 미국 화학학회(ACS; American Chemical Society) Nano Letters 저널에 “직접 플라즈몬 유발 광전기촉매 반응(Direct Plasmon-Driven Photoelectrocatalysis)”이라는 제목으로 발표됐다.
열전자는 매우 유용한 화학 반응을 추진할 수 있는 가능성이 있지만, 이러한 열전자는 신속하게 분해되고 사람들은 이러한 에너지를 이용하기 위하여 힘겹게 노력해왔다고 책임 연구원이며, 라이스 대학 산하 전기화학과 컴퓨터 공학 및 재료 과학부 소속의 조교수인 Isabell Thomann은 밝혔다. 예를 들면, 오늘날 최적의 태양광 발전용 집열판(photovoltaic solar panels)에서 에너지 소실의 대부분은 1초/1조 이내의 짧은 시간 내에 냉각되는 열전자와 열전자의 에너지가 폐기 열로 방출되기 때문이다.
냉각이 되기 전 이러한 높은 에너지 전자를 포획하는 것은 태양 에너지 제공자들이 태양 에너지를 전기 동력으로 전환시키는 효율을 크게 증가시킬 수 있도록 해주고, 태양 전기(solar electricity)의 비용을 낮추려는 국가적 목표를 충족할 수 있게 해준다.
라이스 대학 산하 LANP(Laboratory for Nanophotonics) 소속의 Thomann과 동료 연구진은 일광으로 활성화된 나노입자를 연구했다. 일광은 포획되어 나노 입자의 금속 표면을 가로지르는 유체처럼 흐르는 전자의 파도인 플라즈몬(plasmon)으로 전환된다. 플라즈몬은 짧게 잔류하는 높은 에너지 상태이지만, 라이스 대학 연구진은 플라즈몬 에너지(plasmonic energy)를 포획하여 이것을 유용한 열 또는 빛으로 전환하는 방법을 발견했다. 또 플라즈몬 나노 입자(plasmonic nanoparticles)는 열전자의 동력을 이용하는 가장 유망한 수단 중 하나를 제공하며, LANP 연구진은 몇 개의 최근 연구에서 목표한 진보를 달성했다.
Thomann과 그녀의 연구팀인 석사 과정 학생인 Hossein Robatjazi, Shah Mohammad Bahauddin 및 Chloe Doiron 등은 열전자로부터 발생하는 에너지를 이용하여 물 분자를 산소와 수소로 분해하는 시스템을 생성했다. 산소와 수소가 전기를 청정하고 효율적으로 생성하는 전기화학적 장치인 연료 전지의 연료이기 때문에, 이 시스템은 중요하다.
열전자를 이용하기 위하여, 연구팀은 먼저 상응하는 플라즈몬 에너지를 받아들일 때, 열전자가 제거되는 낮은 에너지 상태인 전자 구멍(electron hole)으로부터 열전자를 분리하는 방법을 찾을 필요가 있었다. 열전자의 잔류 기간이 짧은 한 가지 이유는 열전자가 새롭게 발견된 에너지를 방출하고 낮은 에너지 상태로 되돌아가려는 강력한 경향을 가지고 있기 때문이다. 이러한 현상을 피하는 유일한 방법은 열전자와 전자 구멍이 서로 신속하게 분리되는 위치에서 시스템을 공학적으로 제어하는 것이다. 이 공정을 수행하기 위한 전자 공학자를 위한 표준 방법은 한쪽 방향으로만 흐르는 밸브처럼 행동하는 에너지 장벽으로 흐르도록 열전자를 유도하는 것이다.
Thomann은 이 접근 방법이 내재적인 비효율성을 가지고 있지만, 전자 공학 분야의 쇼트키 장벽(Schottky barriers)이라고 불리는 잘 알려진 기술을 사용하기 때문에 공학자들에게는 매력적인 방법이라고 밝혔다.
내재하는 비효율성 때문에, 연구팀은 문제를 해결하는 새로운 접근 방법을 찾기를 원했다고 Thomann은 밝혔다. 연구진은 비상용 접근 방법을 조명했다. 연구진은 열전자를 제거하는, 대신에 전자 구멍을 이동시키는 시스템을 고안했다. 사실상, 연구진의 시스템은 체 또는 막과 같이 작용했다. 구멍은 통과할 수 있지만, 열전자는 통과할 수 없으며, 따라서 열전자는 플라즈몬 나노입자의 표면 위에서 이용할 수 있는 상태로 남아 있었다.
새로운 장치는 3가지 재료의 층으로 구성된다. 하층은 얇은 빛나는 알루미늄 판이다. 이 층은 투명한 니켈 산화물(nickel-oxide)로 얇은 코팅으로 덮여 있으며, 산란된 상층은 직경 약 10~30나노미터 가량의 퍽과 같은 디스크 형태의 플라즈몬 금 나노입자(plasmonic gold nanoparticles)의 수집이 이루어진다.
일광이 디스크를 때릴 때, 알루미늄으로부터 반사 또는 직접적으로 디스크가 빛 에너지를 열전자로 전환시킨다. 알루미늄은 결과적으로 전자 구멍을 끌어당기고, 니켈 산화물이 전자 구멍을 통과하는 한편, 열전자에는 영향을 받지 않는 장벽으로 작용하여 열전자가 금 위에 남아 있게 해준다. 평평한 재료 시트를 배치하고, 물로 재료 시트를 덮어서, 금 나노입자가 물을 분해하는 촉매로 작용할 수 있게 해주었다. 현재의 실험에서, 연구진은 분해로 생성되는 수소와 산소 기체를 직접적으로 측정하는 대신에 물 분해에 대한 이용할 수 있는 광전류를 측정했다. 그러나 Thomann은 결과가 추가적인 연구로 뒷받침되어야 한다고 밝혔다.
연구진이 광전류 효율을 측정했던 열전자 일광 물 분해 기술을 사용하는 것은 더 고가의 구성 요소를 이용하는 상당히 더 복잡한 구조를 이용하는 것과 유사하다고 Thomann은 밝혔다. 연구진은 이미 보여준 결과를 크게 개선하기 위하여 시스템을 최적화할 수 있을 것으로 자신했다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 9월 9일]
[원문보기]
Nanotechnology researchers demo solar water-splitting technology
Rice University researchers have demonstrated an efficient new way to capture the energy from sunlight and convert it into clean, renewable energy by splitting water molecules.
The technology, which is described online in the American Chemical Society journal Nano Letters ("Direct Plasmon-Driven Photoelectrocatalysis"), relies on a configuration of light-activated gold nanoparticles that harvest sunlight and transfer solar energy to highly excited electrons, which scientists sometimes refer to as "hot electrons."
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| "Hot electrons have the potential to drive very useful chemical reactions, but they decay very rapidly, and people have struggled to harness their energy," said lead researcher Isabell Thomann, assistant professor of electrical and computer engineering and of chemistry and materials science and nanoengineering at Rice. "For example, most of the energy losses in today's best photovoltaic solar panels are the result of hot electrons that cool within a few trillionths of a second and release their energy as wasted heat."
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| Capturing these high-energy electrons before they cool could allow solar-energy providers to significantly increase their solar-to-electric power-conversion efficiencies and meet a national goal of reducing the cost of solar electricity.
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| In the light-activated nanoparticles studied by Thomann and colleagues at Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP), light is captured and converted into plasmons, waves of electrons that flow like a fluid across the metal surface of the nanoparticles. Plasmons are high-energy states that are short-lived, but researchers at Rice and elsewhere have found ways to capture plasmonic energy and convert it into useful heat or light. Plasmonic nanoparticles also offer one of the most promising means of harnessing the power of hot electrons, and LANP researchers have made progress toward that goal in several recent studies.
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Thomann and her team, graduate students Hossein Robatjazi, Shah Mohammad Bahauddin and Chloe Doiron, created a system that uses the energy from hot electrons to split molecules of water into oxygen and hydrogen. That's important because oxygen and hydrogen are the feedstocks for fuel cells, electrochemical devices that produce electricity cleanly and efficiently.
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| To use the hot electrons, Thomann's team first had to find a way to separate them from their corresponding "electron holes," the low-energy states that the hot electrons vacated when they received their plasmonic jolt of energy. One reason hot electrons are so short-lived is that they have a strong tendency to release their newfound energy and revert to their low-energy state. The only way to avoid this is to engineer a system where the hot electrons and electron holes are rapidly separated from one another. The standard way for electrical engineers to do this is to drive the hot electrons over an energy barrier that acts like a one-way valve. Thomann said this approach has inherent inefficiencies, but it is attractive to engineers because it uses well-understood technology called Schottky barriers, a tried-and-true component of electrical engineering.
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| "Because of the inherent inefficiencies, we wanted to find a new approach to the problem," Thomann said. "We took an unconventional approach: Rather than driving off the hot electrons, we designed a system to carry away the electron holes. In effect, our setup acts like a sieve or a membrane. The holes can pass through, but the hot electrons cannot, so they are left available on the surface of the plasmonic nanoparticles."
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| The setup features three layers of materials. The bottom layer is a thin sheet of shiny aluminum. This layer is covered with a thin coating of transparent nickel-oxide, and scattered atop this is a collection of plasmonic gold nanoparticles -- puck-shaped disks about 10 to 30 nanometers in diameter.
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| When sunlight hits the discs, either directly or as a reflection from the aluminum, the discs convert the light energy into hot electrons. The aluminum attracts the resulting electron holes and the nickel oxide allows these to pass while also acting as an impervious barrier to the hot electrons, which stay on gold. By laying the sheet of material flat and covering it with water, the researchers allowed the gold nanoparticles to act as catalysts for water splitting. In the current round of experiments, the researchers measured the photocurrent available for water splitting rather than directly measuring the evolved hydrogen and oxygen gases produced by splitting, but Thomann said the results warrant further study.
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| "Utilizing hot electron solar water-splitting technologies we measured photocurrent efficiencies that were on par with considerably more complicated structures that also use more expensive components," Thomann said. "We are confident that we can optimize our system to significantly improve upon the results we have already seen."
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