[논문]실리콘 광 촉매 연구동향

이민우; 심우영

doi:10.31613/ceramist.2020.23.2.08

실리콘 광 촉매 연구동향
Recent progress in silicon photocatalyst 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.23 no.2, 2020년, pp.178 - 183

이민우 (연세대학교 신소재공학과) , 심우영 (연세대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Solar energy conversion is now actively researching because of pollution. Especially silicon photocatalyst has big potential, because of wide absorption range. But low quantum yield of silicon photocatalyst can't be used for commercialization. This paper summarize mechanism of silicon photocatalyst....

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 이러한 장점으로 실리콘을 이용한 광촉매의 경우 엄청난 잠재성을 가지고 있다고 볼 수 있다. 본 논문에서는 이러한 장점을 가진 실리콘을 이용한 광촉매의 연구동향 과 앞으로의 발전방향에 대해 논해보고자 한다.

제안 방법

따라서 실리콘을 이용한 광촉매도 나노 물질형태로 사용한다. 나노 물질의 형태로 진행되어온 연구들을 0차원, 1차원, 2차원 3부분으로 나누어 정리하고자 한다.
위에 언급한 Science and Technology of China 대학의 Yujie Xiong연구팀은 나노 와이어를 이용한 실험과 제일원리계산를 이용하여 실리콘 표면에서 의 반응을 예측했을 뿐 아니라 유일하게 실리콘을 이용 하여 산소발생을 확인하였다. 다른 실험과 달리 용매에 메탄올을 첨가하지 않고 순수한 물만을 사용해 정공이 모든 반응에 참여하도록 하였다. 위 식 (5)에 표현된 실리콘과 산소의 결합은 식 (8) 과 같이 다시 정공과 반응 하여 카르복실기(-OOH)를 형성하게 되고 또 다시 정공 과 반응해 식 (9)와 같이 산소를 발생하게 된다.

대상 데이터

첫 번째는 Fig. 4 (a)에서 보듯 자연상태에서 2차원 구조를 가지는 Talc clay 물질을 사용하였다. 그 결과 다공성 물질이 생성되어 표면적이 188 m2/g이고 기공 직경 100 nm이상이 대 부분이어서 그림과 같은 특이한 구조라 예상할 수 있다 ⁷⁾.
두번째의 경우도 Fig. 4 (d)와 같이 자연 상의 2차원물질인 MMT clay를 사용하였다⁸⁾. 마찬가지로 마그네슘 환원을 통해 다공성 실리콘 나노 시트를 만들었고 평균 5nm미터의 두께를 가진 표면적 308 m²/g임을 확인했다.

성능/효과

그 결과 효율이 1031.62 μmol/(g∙hr)만큼 증가하는 것을 확인했다.
4 (d)와 같이 자연 상의 2차원물질인 MMT clay를 사용하였다⁸⁾. 마찬가지로 마그네슘 환원을 통해 다공성 실리콘 나노 시트를 만들었고 평균 5nm미터의 두께를 가진 표면적 308 m²/g임을 확인했다. Fig.

후속연구

광 촉매는 에너지 기술에서의 핵심기술로 수소발생, 오염물질제거, 유기 화합물 합성 등에 폭넓게 적용될 전망이다. 그 중 실리콘을 이용한 재료의 경우 넓은 광 흡수 영역, 낮은 가격 등으로 인한 장점을 바탕으로 미래에너지 산업에서 두각을 나타낼 것이 분명하다.
특히 하이드록실기와 광여기된 전자의 반응으로 인한 원천적인 효율저하에 대한 반응 메커니즘을 좀 더 명확히 규명하고 이에 따른 광 효율증대 설계 및 연구가 충분히 이루어져 야 한다. 또한 같은 광 흡수 적용사례인 태양전지와 같이 반사되거나 투과되는 빛을 다시 이용할 수 있는 antireflection coating 및 back contact와 같은 연구가 충분히 이루어져야 한다. 에너지 산업이 급격히 증가하고 있는 만큼 흡광도 개선과 지속성 문제가 해결된다면 실리콘 광 촉매가 급부상할수 있는 계기가 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산화환원반응이란 무엇인가?	광촉매의 기본 원리는 빛으로 생성된 전자가 물의 환원반응, 정공이 물의 산화반응을 유도하여 물을 분해하는 산화환원 반응이다. 전자는 높은 에너지에서 낮은 에너지로, 반대로 정공은 낮은 에너지 에서 높은 에너지로 거동하는 특성이 있는데 이런 특성 으로 일어나는 반응이 산화환원반응이다. 그리고 연구 에 따르면 반도체 내에서 생성된 전자는 물의 환원반응을 유도하는 photocathode, 정공은 산화반응을 유도하는 photoanode로 표현할 수 있고 각각의 전기화학 포텐셜은 ϕre(photocathode)와 ϕOX(photoanode)로 표현가능하다.
	광촉매의 기본적인 동작 원리는?	1 (a)에서 보듯 광합성이 빛을 이용해 물과 이산화탄소를 녹말로 만드는것처럼 광촉매의 경우 같은 물질로 산소, 수소, 유기화합물들을 생성할 수 있기 때문에 인공 광합성이라고도 불린다. 광촉매의 기본 원리는 빛으로 생성된 전자가 물의 환원반응, 정공이 물의 산화반응을 유도하여 물을 분해하는 산화환원 반응이다. 전자는 높은 에너지에서 낮은 에너지로, 반대로 정공은 낮은 에너지 에서 높은 에너지로 거동하는 특성이 있는데 이런 특성 으로 일어나는 반응이 산화환원반응이다.
	실리콘을 이용한 광 촉매의 상용화를 막는 현실적인 문제를 해결하기 위한 방법은?	이를 해결하기 여러 방법 중 하나로 표면산화로 인한 낮은 지속성을 해결하여야 할 것이다. 특히 하이드록실기와 광여기된 전자의 반응으로 인한 원천적인 효율저하에 대한 반응 메커니즘을 좀 더 명확히 규명하고 이에 따른 광 효율증대 설계 및 연구가 충분히 이루어져 야 한다. 또한 같은 광 흡수 적용사례인 태양전지와 같이 반사되거나 투과되는 빛을 다시 이용할 수 있는 antireflection coating 및 back contact와 같은 연구가 충분히 이루어져야 한다. 에너지 산업이 급격히 증가하고 있는 만큼 흡광도 개선과 지속성 문제가 해결된다면 실리콘 광 촉매가 급부상할수 있는 계기가 될 것이다.

참고문헌 (8)

Chen, Shiyou, et al. "Thermodynamic oxidation and reduction potentials of photocatalytic semiconductors in aqueous solution." Chem. Mater., 24.18, 3659-3666 (2012).

상세보기
Liu, Dong, et al. "The nature of photocatalytic "water splitting" on silicon nanowires." Angew. Chem., Int. Ed. 54.10, 2980-2985 (2015).
Erogbogbo, Folarin, et al. "On-demand hydrogen generation using nanosilicon: splitting water without light, heat, or electricity." Nano Lett., 13.2, 451-456 (2013).

상세보기
Dai, Fang, et al. "Bottom-up synthesis of high surface area mesoporous crystalline silicon and evaluation of its hydrogen evolution performance." Nat. Commun., 5.1, 1-11 (2014).
Song, Hongguang, et al. "Highly crystalline mesoporous silicon spheres for efficient visible photocatalytic hydrogen evolution." ChemNanoMat, 3.1, 22-26 (2017).

상세보기
Liu, Chong, et al. "A fully integrated nanosystem of semiconductor nanowires for direct solar water splitting." Nano Lett., 13.6, 2989-2992 (2013).

상세보기
Jang, Youn Jeong, et al. "A multi-stacked hyperporous silicon flake for highly active solar hydrogen production." Chem. Commun., 52.67, 10221-10224 (2016).
Ryu, Jaegeon, et al. "All-in-one synthesis of mesoporous silicon nanosheets from natural clay and their applicability to hydrogen evolution." NPG Asia Mater., 8.3, e248-e248 (2016).

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증