[논문]태양광을 활용한 물분해 수소생산용 광촉매재료

김정현

doi:10.7464/ksct.2013.19.3.191

태양광을 활용한 물분해 수소생산용 광촉매재료
Photocatalysts for Hydrogen Production from Solar Water Splitting 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.19 no.3, 2013년, pp.191 - 200

초록
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미래의 무한 청정 에너지원으로 고려되고 있는 태양에너지를 활용하여 수소를 생산할 수 있는 광촉매재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 총설에서는 태양광을 이용한 물분해 수소생산용 광촉매재료들에 대하여 알아보고, 현재까지 보고된 다양한 광촉매재료의 특성들을 검토하고자 한다. 또한, 다양한 광촉매재료를 활용하여 수소생산 효율을 높이기 위해서 시행되었던 촉매재료 개질 방법들을 통하여 향후 지속적으로 진행될 연구방향을 모색해 보고자 한다. 각각의 광촉매재료들이 활성을 가질 수 있는 빛의 영역을 알아보고, 광촉매 작용에 필수적인 광원, 광밀도, 파장영역 등의 중요성에 대해서도 토론한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Researches on developing photocatalyst materials for hydrogen production from solar water splitting attract great attentions due to the unlimited and clean characteristics of the solar energy. In this review, photocatalysts used for hydrogen production from the solar water splitting are discussed in terms of material characteristics. In addition, various modification techniques applied to the photocatalysts for improving hydrogen production efficiency are summarized. Finally, light characteristics such as intensity, illumination density and wavelength cutoff are also discussed for the importance of hydrogen production rate.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

물분해 수소생산용 광촉매재료로 연구되어오고 있는 TiO₂계열, 텅스텐 계열, 구리 계열, 흑연질소산화물 계열, 금속황화물 등의 다양한 반도체물질들에 대하여 알아보았다. 광촉매재료와 태양광을 이용하여 물분해 수소생산에 효율적으로 활용되기 위해서는 띠간격 에너지가 전자를 여기시키기에 충분한 범위를 가져야 한다.
태양에너지의 활용은 크게 전기에너지로 변환하는 태양전지재료와 화학에너지로 변환하는 광촉매재료의 개발을 통하여 가능하다. 본 연구는 태양에너지를 화학에너지로 변환할 수 있는 광촉매재료에 대한 총설이며 현재까지 보고된 다양한 연구결과들을 통하여 광촉매재료에 따른 광반응메커니즘과 수소생산 효율 등의 광촉매활용 추진방향 등에 대하여 논하고자 한다.
Figure 1은 물분해 수소생산 연구에 활발히 사용되고 있는 다양한 광촉매재료들의 띠간격, 원자가띠, 전도띠의 에너지를 물분해 반응의 수소 및 산소 생산 전위와 연관하여 나타내고 있다. 이러한 다양한 반도체물질을 활용한 물분해 수소생산 연구 결과들을 광촉매 재료별로 구별하여 수소생산 연구의 효율성 개선에 대하여 고찰하고자 한다.

제안 방법

공정상으로 살펴보면, 금속물질을 도핑하기 위한 방법으로 이온주입법(ion-implantation)[32], 스퍼터링(sputtering)[24], 수열법(hydrothermal)[25], 졸겔(solgel)[26] 등이 사용되고 있다. 각각의 공정으로 도핑된 TiO₂를 제조하고 이의 광활성을 증진시키기 위하여 공정조건에 따른 고온의 소결을 진행한다. 또한, 비금속도핑공정으로 제조하는 TiO₂는 가시광 활성을 향상시키기 위해 다양한 도핑물질을 함유한 타이타늄 원료물질(precursor)의 수분해(hydrolysis)[29, 33,34], 기상 박막 증착법[35], 산화분위기에서 소결법(TiN[36], TiS2[36], TiC[37]), 대기압 하에서 플라즈마법을 통한 나노입자제조[38] 등의 방법을 통하여 제조되고 있다.

성능/효과

TiO₂물질이 가지고 있는 큰 띠간격을 줄이고 가시광선의 흡수를 높이기 위해 금속물질이나 비금속물질의 도핑이 수행되는데, Figure 2에서 보여주는 것처럼 금속물질을 도핑할 경우 전도띠 에너지(hν₂)를 낮추게 되며, 비금속물질을 도핑할 경우 원자가띠 에너지(hν₃)를 높이게 된다. 따라서, 두 가지 경우 모두에서 띠간격을 줄여주며 TiO₂ 물질 자체에 비하여 도핑을 시도할 경우 가시광선의 흡수를 향상시킬 수 있는 것을 보여주고 있다. 또한, 금속성 물질을 도핑할 경우 전자의 이송을 용이하게 하여 전자가 이동시 물질 내부에 갇혀 있거나 재결합하는 현상을 줄일 수 있는 것으로 알려져 있으며, 결과적으로 광흡수 활성을 향상시키는 것을 보고하고 있다.
물분해 수소생산을 위한 광촉매로의 적용에서 mpg-C₃N₄는 triethanolamine (TEOA)/물의 혼합 용액에서 매우 활성이 높은 것으로 나타났으며, 촉매의 효율은 공극과 비표면적에 따라 크게 의존하는 것으로 알려졌다. 그래핀 복합체를 사용할 경우는 전자흡수체 역할을 하여 mpg-C₃N₄ 보다 3배 이상의 활성을 보였다.

후속연구

혼합형 광촉매를 위한 Z-scheme 재료는 텅스텐화합물을 산소생산반응에 활용함을 기본으로 하여 이성분이나 삼성분계의 소재를 결합함으로서 수소생산 효율을 높이고자하는 시도들이 계속되어 왔다. 계속되는 나노 수준의 다성분계 혼합에 따른 표면공학의 진보는 Z-scheme 공정을 통한 광촉매 수소생산 연구의 효율을 지속적으로 높여줄 것으로 기대된다.
따라서 이러한 관점에서 가시광을 활용하기 위한 다양한 연구들이 수행되었으며, 수소생산 효율의 향상을 위하여 다양한 공용촉매들을 도입하는 방법이나, 태양광을 흡수하여 여기된 전자와 정공을 효율적으로 분리하여 재결합을 방지함으로써 프로톤을 수소로 전환하는 성능을 높이는 방법들이 연구되었다. 다양한 연구자들이 광촉매 연구에서 활용하는 광원에 통일성이 없는 것으로 타나났으며, 상호 비교를 통해 보다 신뢰성 있는 연구 결과를 공유하기 위해서는 사용되는 광원의 통일이 필요할 것으로 판단된다.
하지만, 미래 무한 에어지원인 태양광을 활용하고자 하는 일환으로 다양하게 진행되고 있는 태양광활용 광촉매 수소생산연구는, 가장 중요한 실험변수인 광원의 표준화가 없음으로 인하여 서로 다른 연구결과 들을 상호 비교하기가 매우 어려운 실정이다. 따라서 가능하다면 표준광원과 광밀도를 사용할 수 있도록 하여 다양한 연구결과들을 비교 판단하는 것이 용이하게 하고 각기 보고된 결과의 상호 신빙성을 높여 연구결과를 모든 연구자들이 쉽게 파악할 수 있도록 하는 것이 중요할 것으로 판단된다. 또한, 광촉매를 활용한 수소생산속도 표현 방법에 있어서도 특정한 기준조건을 사용하여 앞으로 보고되는 다양한 연구결과를 서로 상대 비교할 수 있게 함으로써 광촉매 수소생산 연구 개선방향을 공통적으로 찾아갈 수 있도록 하는 것이 중요할 것으로 판단된다.
물분해 수소생산에 적합한 밴드구조를 소유하였으며 상대적으로 안정한 TiO₂와 카본나이트라이드 물질 등의 반도체 물질은 태양광 중에서 매우 적은양인 자외선 영역을 주로 흡수하여 광전환효율이 상대적으로 매우 낮은 것으로 알려져 있다. 따라서 광안정성과 좁은 띠간격을 소유한 반도체형 소재의 지속적인 개발이 꾸준히 요구되고 있으며, 광촉매를 이용한 물분해 수소생산으로의 응용을 위해서는 탠덤구조, 외부전극의 응용, 소재의 복합화, 산화환원 매개물질의 응용 등 다양한 공학적인 접근이 필요할 것으로 판단된다.
또한, 도핑이 되지 않은 TiO₂와 비교하여 금속이 도핑 된 TiO₂가 가시광하에서 활성이 없거나 자외선 하에서 낮은 활성을 보이는 경우도 나타나는데, 이는 금속이온이 전하의 재결합을 촉진하는 역할을 하는 것으로 알려져 있기 때문이다. 따라서, 상업적 활용을 목적으로한 광범위한 광촉매시스템 확대를 위해서는 가시광 하에서 화학적, 물리적 안정성과 향상된 표면특성을 소유하는 새로운 소재의 개발이나 기존에 개발된 다양한 소재의 최적화가 매우 중요할 것으로 판단된다. 추가적으로, TiO₂를 기반으로 하는 가시광 반응 촉매의 활성을 향상시키기 위한 새로운 도핑 물질이나 도핑물질을 도입하기 위한 새로운 방법을 개발하는 것과 광반응의 새로운 응용분야를 확보하는 것이 중요하게 인식되고 있다.
1 eV의 띠간격을 가지고 있어 가시광을 흡수하기에 매우 적합한 소재로 알려져 있으며, 금(Au) 나노입자를 도입하여 광흡수와 전하분리를 용이하게 하기 위한 시도가 보고되었다[73]. 또한, CdSe, CdTe, GaP, GaAs, ZnO, InP, Ndoped Ta2O5 등의 다양한 반도체 특성을 가지는 광촉매재료들이 보고되었으며, 이러한 다양한 물질들을 효율적으로 물분해 수소생산에 활용할 수 있기 위해서는 광흡수특성, 광전류 변환효율, 광부식 등의 관점에서 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
따라서 가능하다면 표준광원과 광밀도를 사용할 수 있도록 하여 다양한 연구결과들을 비교 판단하는 것이 용이하게 하고 각기 보고된 결과의 상호 신빙성을 높여 연구결과를 모든 연구자들이 쉽게 파악할 수 있도록 하는 것이 중요할 것으로 판단된다. 또한, 광촉매를 활용한 수소생산속도 표현 방법에 있어서도 특정한 기준조건을 사용하여 앞으로 보고되는 다양한 연구결과를 서로 상대 비교할 수 있게 함으로써 광촉매 수소생산 연구 개선방향을 공통적으로 찾아갈 수 있도록 하는 것이 중요할 것으로 판단된다.
또한 저가 광촉매를 개발하기 위한 노력으로 mpg-C₃N₄/Co₃O₄[60]를 이용한 물분해를 통한 산소반응 촉매와 같이 흑연산소질화물을 이용하며 귀금속을 사용하지 않는 촉매를 개발하기 위한 시도들이 보고되고 있다. 또한, 흑연산소질화물에 수소생산이나 산소생산을 일으키는 전자촉매를 접합 하여 무선융합 광촉매의 개발도 새로운 관심을 이끌고 있으며, 태양광의 효율적인 활용과 관련한 다양한 요구사항들을 만족시키기 위한 노력이 지속될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양에너지의 활용이 가능해지기 위한 조건은?	태양에너지는 화석연료의 사용으로부터 발생되는 환경오염을 방지할 수 있는 큰 장점이 있지만, 화석연료에 비하여 현저하게 떨어지는 에너지 전환효율과 낮은 경제성으로 인하여 상업적 적용이 매우 미미한 상태에 있다고 할 수 있다. 태양에너지의 활용은 크게 전기에너지로 변환하는 태양전지재료와 화학에너지로 변환하는 광촉매재료의 개발을 통하여 가능하다. 본 연구는 태양에너지를 화학에너지로 변환할 수 있는 광촉매재료에 대한 총설이며 현재까지 보고된 다양한 연구결과들을 통하여 광촉매재료에 따른 광반응메커니즘과 수소생산 효율 등의 광촉매활용 추진방향 등에 대하여 논하고자 한다.
	TiO2를 개선하기 위하여 다양한 물질의 도핑에 쓰이는 물질은?	첫째는 금속이온 도핑, 둘째는 비금속 물질 도핑이라고 할 수 있다. 금속물질로는 대부분 전이금속(루테늄(ruthenium, Ru), 은(silver, Ag), 백금(platinum, Pt), 구리(copper, Cu), 몰리브데늄(molybdenum, Mo), 니오비움(niobium, Nb), 바나디움(vanadium, V), 철(iron, Fe), 코발트(cobalt, Co), 니켈(nickel, Ni), 크롬(chrome, Cr), 망간(manganese, Mn))들이 사용되고 있으며[4,5], 비금속 물질로는 탄소(carbon, C), 황(sulfur, S)[6], 질소(nitrogen, N)[7], 인(phosphate, P)[8], 붕소(boron, B), 요드(iodine, I), 불소(fluorine, F) 등이 첨가되어 띠간격 에너지를 낮추는 역할을 하고 있다. 또한, 복합재료를 형성하여 띠간격을 낮추려는 시도로, 황화카드뮴(CdS) 입자활용[9], 염료감응화[10], 업컨버젼(upconversion)용 형광물질[11], 나노구조체도입[12,13], 띠간격이 좁은 일산화구리(Cu2O)와 같은 p형 반도체 도입[14,15], 그래핀이나 C60와 같은 전자를 받아들이는 물질과 복합화[16-19] 등의 연구가 보고되었다.
	태양에너지의 큰 장점은?	특히 무한한 에너지원으로 평가되고 있는 태양에너지를 상업적인 공정을 통하여 일상생활에 활용하고자 하는 연구가 최근들에 매우 활발하게 진행되고 있다[1]. 태양에너지는 화석연료의 사용으로부터 발생되는 환경오염을 방지할 수 있는 큰 장점이 있지만, 화석연료에 비하여 현저하게 떨어지는 에너지 전환효율과 낮은 경제성으로 인하여 상업적 적용이 매우 미미한 상태에 있다고 할 수 있다. 태양에너지의 활용은 크게 전기에너지로 변환하는 태양전지재료와 화학에너지로 변환하는 광촉매재료의 개발을 통하여 가능하다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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