수소 (H2)는 현재 미래의 이상적인 에너지원으로 주목 받고 있다. 수소는 깨끗하고 재사용 가능한 에너지원으로부터 생산할 수 있으며 특히 에너지 발생량이 기존 화석연료보다 높다는 장점이 있다. 하지만 이렇게 재생 가능한 에너지원을 이용한 수소 생산은 5 %에 그치고 있으며, 나머지 95 %가 화석연료에 의해 생산되고 있다. 따라서 낮은 비용으로 높은 생산 효율을 가질 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다. 여기서는 기존의 수소 생산 방법 중 하나인 ...
수소 (H2)는 현재 미래의 이상적인 에너지원으로 주목 받고 있다. 수소는 깨끗하고 재사용 가능한 에너지원으로부터 생산할 수 있으며 특히 에너지 발생량이 기존 화석연료보다 높다는 장점이 있다. 하지만 이렇게 재생 가능한 에너지원을 이용한 수소 생산은 5 %에 그치고 있으며, 나머지 95 %가 화석연료에 의해 생산되고 있다. 따라서 낮은 비용으로 높은 생산 효율을 가질 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다. 여기서는 기존의 수소 생산 방법 중 하나인 광촉매를 이용한 물분해를 통한 생산 방법의 개선 방안에 대해 연구하였다. 본 연구는 크게 두 개의 항목으로 나누어지며, 종합적으로는 광촉매로써 널리 쓰이는 아연 (Zn) 계열 광촉매의 특성을 향상시키고자 하였다. 1. ZnO/CdS 계열 복합촉매 제조 및 응용 ZnO와 CdS 모두 두 가지의 전구체 물질을 사용하는 침전법 (precipitation method)을 이용하여 합성하였다. ZnO를 합성할 때는 혼합하는 두 수용액의 농도를 변수로 두어 구조의 변화를 관찰하고자 하였으며, CdS를 ZnO에 복합시킬 때는 일정 몰수를 가지는 이온 용액을 첨가하여 합성된 CdS의 중량 %를 변수로 두어 효율을 측정하였다. 추가적으로, 공기 조건 하에서 열처리를 수행하여 추가적으로 촉매의 성능을 향상코자 하였다. 합성한 ZnO의 구조를 분석한 결과, 혼합하는 전구체 수용액 간의 농도에 따라 막대모양, 판상형, 구상에 가까운 ZnO를 얻을 수 있었으며, 그 중에서 재현성이 가장 높아 보이는 구상의 ZnO를 기반 물질로 삼았다. CdS를 추가로 적용한 경우에도 구상의 ZnO의 구조가 변하지 않았으며, ZnO와 CdS 간의 복합체 구조가 원활히 형성된 것을 관찰할 수 있었다. 결정 구조 역시 두 물질이 원활히 합성되었음을 시사하였으며, 특히 CdS의 조성이 증가함에 따라 ZnO의 표면이 가려지는 것으로 파악되었다. 열처리를 한 시료의 경우 CdO에 해당하는 미세한 피크를 관찰할 수 있었으며, 이는 열처리로 인한 추가적인 물질의 생성을 의미한다. 흡광 효율을 보면 CdS를 도입하기 전에는 자외선 영역만 흡수할 수 있었지만 CdS를 복합했을 경우 대부분의 가시광 영역에서 감응이 됨을 보였다. 열처리를 했을 경우에는 대부분의 경우 흡광 효율의 변화가 거의 없었지만 500 ℃에서 열처리를 한 경우 표면적의 급격한 감소로 인한 절대적인 흡광도가 감소한 것을 알 수 있었다. 촉매의 성능을 물분해 수소 생산 효율로 분석하였다. CdS의 조성에 따라 생산량이 최적점을 보이는 지점을 찾을 수 있었으며, 기존 ZnO보다 훨씬 더 증가된 효율을 보였다. 과량의 CdS가 포함된 경우에는 CdS 자체가 빛을 막는 역할을 하거나 전자 이동을 방해하기 때문에 오히려 더 떨어진 생산량이 나타났다. 일련의 결과들을 종합할 경우, 합성한 ZnO와 CdS, 그리고 열처리로 인해 생성된 CdO가 복합되어 전자 이동을 원활하게 만들어 전반적인 촉매의 성능이 올라간 것으로 결론지을 수 있었다. 2. 산화막의 형성을 통한 ZnS/ZnO 복합물질의 제조 및 응용 코어셸 구조를 가지는 물질을 합성하기 위한 첫 단계인 ZnS의 제조에서는 열수법 (hydrothermal method)을 이용하여 침전법 대비 균일한 형상을 가지는 입자를 합성하였다. 산화 공정에서는 수직가열로 (vertical furnace)로 기체 분자와 입자 간의 균일한 접촉을 유도했다. 산화 과정에서 유량계를 이용하여 가열로로 유입되는 산소의 양을 조절하여 물질의 특성 또는 조성을 변화시켰다. 합성한 ZnS의 구조를 분석한 결과 구상의 입자들이 다수 형성되었음을 보았으며, 입자의 평균 크기는 약 1.6 μm로 나타났다. 열처리를 했을 때도 구상의 구조가 변하지 않았으며, 원소 분포도 (elemental mapping)을 통해 산소의 분포를 관찰한 결과 열처리 전에 불균일하게 퍼져 있던 산소가 열처리 후에는 입자의 표면에 집중된 것을 볼 수 있었다. 이는 산화 공정을 통한 ZnS 표면의 산화막이 형성되었다는 것을 보여주며, 결정 구조나 표면 결합에너지에 대한 데이터들이 이를 뒷받침해준다. 흡광 효율의 경우 자외선 영역에서밖에 활성이 되지 않는 ZnS와 ZnO만 존재하는 촉매임에도 불구하고 어느 정도의 가시광 흡광을 보였는데, 이는 ZnO에 존재하는 결함 (defect)으로 인해 발생한 ZnO 자체의 물성 변화가 원인인 것으로 판단된다. 수소 생산 효율을 측정한 결과 기존의 ZnS/ZnO의 복합물질보다 3배 가량 높은 수소생산량을 보였다. 이는 구상의 균일한 ZnS를 산화시킴으로서 유도된 코어셸 구조와 열처리 중 산소 조성을 변화시키면서 형성된 결함에 의한 가시광 영역에서의 흡수 두 가지 요인이 관여한 것으로 보인다. 종합적으로는 열처리를 통한 전자 이동 효율의 향상과 흡광 효율의 향상이 촉매의 근본적인 효율 증가의 원인으로 나타났다.
수소 (H2)는 현재 미래의 이상적인 에너지원으로 주목 받고 있다. 수소는 깨끗하고 재사용 가능한 에너지원으로부터 생산할 수 있으며 특히 에너지 발생량이 기존 화석연료보다 높다는 장점이 있다. 하지만 이렇게 재생 가능한 에너지원을 이용한 수소 생산은 5 %에 그치고 있으며, 나머지 95 %가 화석연료에 의해 생산되고 있다. 따라서 낮은 비용으로 높은 생산 효율을 가질 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다. 여기서는 기존의 수소 생산 방법 중 하나인 광촉매를 이용한 물분해를 통한 생산 방법의 개선 방안에 대해 연구하였다. 본 연구는 크게 두 개의 항목으로 나누어지며, 종합적으로는 광촉매로써 널리 쓰이는 아연 (Zn) 계열 광촉매의 특성을 향상시키고자 하였다. 1. ZnO/CdS 계열 복합촉매 제조 및 응용 ZnO와 CdS 모두 두 가지의 전구체 물질을 사용하는 침전법 (precipitation method)을 이용하여 합성하였다. ZnO를 합성할 때는 혼합하는 두 수용액의 농도를 변수로 두어 구조의 변화를 관찰하고자 하였으며, CdS를 ZnO에 복합시킬 때는 일정 몰수를 가지는 이온 용액을 첨가하여 합성된 CdS의 중량 %를 변수로 두어 효율을 측정하였다. 추가적으로, 공기 조건 하에서 열처리를 수행하여 추가적으로 촉매의 성능을 향상코자 하였다. 합성한 ZnO의 구조를 분석한 결과, 혼합하는 전구체 수용액 간의 농도에 따라 막대모양, 판상형, 구상에 가까운 ZnO를 얻을 수 있었으며, 그 중에서 재현성이 가장 높아 보이는 구상의 ZnO를 기반 물질로 삼았다. CdS를 추가로 적용한 경우에도 구상의 ZnO의 구조가 변하지 않았으며, ZnO와 CdS 간의 복합체 구조가 원활히 형성된 것을 관찰할 수 있었다. 결정 구조 역시 두 물질이 원활히 합성되었음을 시사하였으며, 특히 CdS의 조성이 증가함에 따라 ZnO의 표면이 가려지는 것으로 파악되었다. 열처리를 한 시료의 경우 CdO에 해당하는 미세한 피크를 관찰할 수 있었으며, 이는 열처리로 인한 추가적인 물질의 생성을 의미한다. 흡광 효율을 보면 CdS를 도입하기 전에는 자외선 영역만 흡수할 수 있었지만 CdS를 복합했을 경우 대부분의 가시광 영역에서 감응이 됨을 보였다. 열처리를 했을 경우에는 대부분의 경우 흡광 효율의 변화가 거의 없었지만 500 ℃에서 열처리를 한 경우 표면적의 급격한 감소로 인한 절대적인 흡광도가 감소한 것을 알 수 있었다. 촉매의 성능을 물분해 수소 생산 효율로 분석하였다. CdS의 조성에 따라 생산량이 최적점을 보이는 지점을 찾을 수 있었으며, 기존 ZnO보다 훨씬 더 증가된 효율을 보였다. 과량의 CdS가 포함된 경우에는 CdS 자체가 빛을 막는 역할을 하거나 전자 이동을 방해하기 때문에 오히려 더 떨어진 생산량이 나타났다. 일련의 결과들을 종합할 경우, 합성한 ZnO와 CdS, 그리고 열처리로 인해 생성된 CdO가 복합되어 전자 이동을 원활하게 만들어 전반적인 촉매의 성능이 올라간 것으로 결론지을 수 있었다. 2. 산화막의 형성을 통한 ZnS/ZnO 복합물질의 제조 및 응용 코어셸 구조를 가지는 물질을 합성하기 위한 첫 단계인 ZnS의 제조에서는 열수법 (hydrothermal method)을 이용하여 침전법 대비 균일한 형상을 가지는 입자를 합성하였다. 산화 공정에서는 수직가열로 (vertical furnace)로 기체 분자와 입자 간의 균일한 접촉을 유도했다. 산화 과정에서 유량계를 이용하여 가열로로 유입되는 산소의 양을 조절하여 물질의 특성 또는 조성을 변화시켰다. 합성한 ZnS의 구조를 분석한 결과 구상의 입자들이 다수 형성되었음을 보았으며, 입자의 평균 크기는 약 1.6 μm로 나타났다. 열처리를 했을 때도 구상의 구조가 변하지 않았으며, 원소 분포도 (elemental mapping)을 통해 산소의 분포를 관찰한 결과 열처리 전에 불균일하게 퍼져 있던 산소가 열처리 후에는 입자의 표면에 집중된 것을 볼 수 있었다. 이는 산화 공정을 통한 ZnS 표면의 산화막이 형성되었다는 것을 보여주며, 결정 구조나 표면 결합에너지에 대한 데이터들이 이를 뒷받침해준다. 흡광 효율의 경우 자외선 영역에서밖에 활성이 되지 않는 ZnS와 ZnO만 존재하는 촉매임에도 불구하고 어느 정도의 가시광 흡광을 보였는데, 이는 ZnO에 존재하는 결함 (defect)으로 인해 발생한 ZnO 자체의 물성 변화가 원인인 것으로 판단된다. 수소 생산 효율을 측정한 결과 기존의 ZnS/ZnO의 복합물질보다 3배 가량 높은 수소생산량을 보였다. 이는 구상의 균일한 ZnS를 산화시킴으로서 유도된 코어셸 구조와 열처리 중 산소 조성을 변화시키면서 형성된 결함에 의한 가시광 영역에서의 흡수 두 가지 요인이 관여한 것으로 보인다. 종합적으로는 열처리를 통한 전자 이동 효율의 향상과 흡광 효율의 향상이 촉매의 근본적인 효율 증가의 원인으로 나타났다.
Photocatalytic hydrogen production attracts great attention due to its clean energy conversion and renewable usage. In order to achieve efficient charge separations in photocatalysts, pseudo-microspherical ZnO/CdS core-shell structures were fabricated by precipitation method. ZnO pseudo-microspheres...
Photocatalytic hydrogen production attracts great attention due to its clean energy conversion and renewable usage. In order to achieve efficient charge separations in photocatalysts, pseudo-microspherical ZnO/CdS core-shell structures were fabricated by precipitation method. ZnO pseudo-microspheres of about 2 μm diameter were uniformly synthesized, and they were used as core materials covered with various amounts of CdS shell nanoparticles. The highest hydrogen production rate from as-prepared photocatalysts was 146 μmolg-1h-1 at 63 wt% CdS content under one sun irradiation condition. After thermal treatments, it was much improved to 241.2 μmolg-1h-1 at the same CdS content possibly due to the increased crystallinity and efficient charge flows with an aid of additional CdO component. Reproducibility of hydrogen production revealed stable mode of operation for three consecutive runs. Therefore, ZnO/CdS/CdO ternary photocatalyst systems provide efficient charge separations and electron flows for improving solar hydrogen production by suppressing electron-hole recombinations. Zinc type photocatalysts attract great attentions in solar hydrogen production due to their easy availability and benign environmental characteristics. Spherical ZnS particles were synthesized with a facile hydrothermal method, and they were further used as core materials to introduce ZnO shell layer surrounding the core part by partial oxidation under controlled oxygen contents. The resulting ZnS core-ZnO shell photocatalysts represented the heterostructural type II band alignment. The existence of oxide layer also influenced on proton adsorption power with an aid of strong base cites derived from highly electronegative oxygen atoms in ZnO shell layer. Photocatalytic water splitting reaction was performed to evaluate catalyst efficiency under standard one sun condition, and the highest hydrogen evolution rate (1665 μmolg-1h-1) was achieved from the sample oxidized at 16.2 kPa oxygen pressure. This highest hydrogen production rate was achieved with not only increased visible light absorption but also reduced recombinations of photo-induced electron-hole pairs at promoted charge separations. Photoluminescence analysis revealed that the improved visible light response was obtained after thermal oxidation process due to the oxygen vacancy states in the ZnO shell layer. Therefore, overall photocatalytic efficiency in solar hydrogen production was enhanced by improved charge separations, crystallinity, and visible light responses from the ZnS core-ZnO shell structures induced by thermal oxidation.
Photocatalytic hydrogen production attracts great attention due to its clean energy conversion and renewable usage. In order to achieve efficient charge separations in photocatalysts, pseudo-microspherical ZnO/CdS core-shell structures were fabricated by precipitation method. ZnO pseudo-microspheres of about 2 μm diameter were uniformly synthesized, and they were used as core materials covered with various amounts of CdS shell nanoparticles. The highest hydrogen production rate from as-prepared photocatalysts was 146 μmolg-1h-1 at 63 wt% CdS content under one sun irradiation condition. After thermal treatments, it was much improved to 241.2 μmolg-1h-1 at the same CdS content possibly due to the increased crystallinity and efficient charge flows with an aid of additional CdO component. Reproducibility of hydrogen production revealed stable mode of operation for three consecutive runs. Therefore, ZnO/CdS/CdO ternary photocatalyst systems provide efficient charge separations and electron flows for improving solar hydrogen production by suppressing electron-hole recombinations. Zinc type photocatalysts attract great attentions in solar hydrogen production due to their easy availability and benign environmental characteristics. Spherical ZnS particles were synthesized with a facile hydrothermal method, and they were further used as core materials to introduce ZnO shell layer surrounding the core part by partial oxidation under controlled oxygen contents. The resulting ZnS core-ZnO shell photocatalysts represented the heterostructural type II band alignment. The existence of oxide layer also influenced on proton adsorption power with an aid of strong base cites derived from highly electronegative oxygen atoms in ZnO shell layer. Photocatalytic water splitting reaction was performed to evaluate catalyst efficiency under standard one sun condition, and the highest hydrogen evolution rate (1665 μmolg-1h-1) was achieved from the sample oxidized at 16.2 kPa oxygen pressure. This highest hydrogen production rate was achieved with not only increased visible light absorption but also reduced recombinations of photo-induced electron-hole pairs at promoted charge separations. Photoluminescence analysis revealed that the improved visible light response was obtained after thermal oxidation process due to the oxygen vacancy states in the ZnO shell layer. Therefore, overall photocatalytic efficiency in solar hydrogen production was enhanced by improved charge separations, crystallinity, and visible light responses from the ZnS core-ZnO shell structures induced by thermal oxidation.
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