초록 ▼

낮은 광화학반응의 효율의 주요 원인으로 알려져 있는 재결합 방지 및 relay기능의 향상을 위하여 VB(Nb), VIB(Mo, W), 그리고 VIIIB(Fe, Co, Ni)족이 혼합된 TiO$_2$ 혼합광촉매를 제조하여, TiO$_2$ 박막의 물성을 평가하고, 박막을 이용하여 제조된 PEC cell을 I-V 특성을 비교 분석하였다. VB(Nb), VIB(Mo, W) 첨가했을 때 광촉매 활성이 좋으나 VIIIB(Fe, Co, Ni)족이 혼합된 TiO$_2$ 의 경우 그 반응성

낮은 광화학반응의 효율의 주요 원인으로 알려져 있는 재결합 방지 및 relay기능의 향상을 위하여 VB(Nb), VIB(Mo, W), 그리고 VIIIB(Fe, Co, Ni)족이 혼합된 TiO$_2$ 혼합광촉매를 제조하여, TiO$_2$ 박막의 물성을 평가하고, 박막을 이용하여 제조된 PEC cell을 I-V 특성을 비교 분석하였다. VB(Nb), VIB(Mo, W) 첨가했을 때 광촉매 활성이 좋으나 VIIIB(Fe, Co, Ni)족이 혼합된 TiO$_2$ 의 경우 그 반응성이 현저히 떨어지는데, Nb, Mo, W 등에 의해 얻어지는 잉여전자가 O$_2$와 반응하여 O$_2$-로 되며 활발하게 분해반응에 참여하여 변환효율을 증가시킨다. 광촉매인 TiO$_2$에 적당한 주기율표의 5, 6족에 해당하는 전이금속을 소향 첨가해 주면 순수물질 보다 월등히 증가된 전류생성량을 얻을 수 있으며, 생성된 전류량은 수소제조 능력와 비례적 상관관계를 나타냄을 확인하였다. 또한, TiO$_2$ 광촉매의 전자 relay 기능을 향상시킬 수 있었다. 고상반응법으로 제조된 $In_{0.9}Ni_{0.1}TaO_4$와 Ni/NiO가 도포된 $In_{0.9}Ni_{0.1}TaO_4$ 분말이 가시광 흡수 피크를 보이는 것으로 보아 가시광에 감응할 수 있는 광촉매적인 특성을 지닌 것으로 확인하였다. 약 400-500nm에서 흡수피크가 Ni 도핑된 화합물에서 관찰된다는 것이 이를 뒷받침하고 있다. 이 흡수 피크는 약 2.9 - 2.3 eV에 해당되며, 300 W Xe 램프로 0.5g의 촉매를 넣은 250ml 광반응기에 대해서 (${\gamma}$ > 420 nm)필터를 사용하여 순수한 물에 대해 실험을 한 결과 수소발생은 약 16 ${\mu}$mol/hr 이고 산소는 8 ${\mu}$mol/hr 로 2:1 당량비 대로 발생됨을 확인 했다. Nal 수용액상에서 Pt-SrTiO$_3$ (Cr-Ta doped, 1mol%)와 Pt-WO$_3$, 두 광촉매를 이용한 물 분해는 가시광선 하에서 물을 양론비(H$_2$/O$_2$=2) 적으로 수소와 산소를 분해하였다. 반응은 자연계 광합성의 Z-scheme 반응과 유사한 두 단계의 광-여기 메카니즘을 통해 이루어졌다. 광촉매를 따로 실험을 한 경우보다, 두 광촉매를 혼합했을 때가 더 좋은 활성을 나타내었다. 두 광촉매가 혼합된 반응에서 가시광하에서 (>420nm) 수소의 발생속도는 1.6${\mu}$mol/hr였으며, 산소의 발생속도는 0.8${\mu}$mol/hr였다.

Abstract ▼

The cleavage of water to form hydrogen and oxygen would be an ideal source of hydrogen for energy needs. The feedstock, water, is available in virtually inexhaustible supply, and the resulting fuel, hydrogen, burns with no polluting products, the only reaction product being water. The cleavage react

The cleavage of water to form hydrogen and oxygen would be an ideal source of hydrogen for energy needs. The feedstock, water, is available in virtually inexhaustible supply, and the resulting fuel, hydrogen, burns with no polluting products, the only reaction product being water. The cleavage reaction is endothermic, however, and the energy required to achieve a significant hydrogen production rate is high. Ideally, the energy source must also be available in abundant supply and be nonpolluting. Solar energy meets these requirements, and the use of solar energy to drive the cleavage of water to produce hydrogen is an extremely attractive means to convert solar energy to chemical energy. There has been extensive investigation of chemical systems that involved the absorption of electromagnetic radiation by chemical agents, followed by reaction reading to the cleavage of water. Photocatalytic cleavage of water by semiconductor photocatalysts is among the most promising techniques since the catalyst is a solid material which is relatively inexpensive, resistant to deactivation, nontoxic and safe to handle. The most promising of these semiconductor systems is a supported catalyst, Pt-RuO$_2$/TiO$_2$. The energy of UV light matches the bandgap existing in the anatase form TiO$_2$. The Pt and RuO$_2$ crystallite on the titania surface are believed to catalyze important steps in the subsequent reactions, increasing the rate of product formation. Despite numerous studies examining this reaction system, the rate of production of hydrogen remains too slow for easy commercialization. Significant limiting factors would appear to be (l)the narrow range of wavelengths that are absorbed by photocatalyst to initiate the reactions, (2)the difficulty of combining photoaccessibility and reactant accessibility to high surface areas of the photocatalyst, and (3) the efficiency of the subsequent catalytic(versus photocatalytic) steps to form H$_2$ and O$_2$. We will investigate novel photocatalytic material and attempt to alleviate each of the three limitations cited above. A Ni-doped InTaO$_4$ photocatalyst was synthesized by solid-state reaction. We have presented the evidence for photocatalytic decomposition of an aqueous solution on the photocatalyst. Ni-doped InTaO$_4$ has been developed as a new visible light photocatalyst for H$_2$ and O$_2$ evolution from aqueous solutions. We studied the water splitting into H$_2$ and O$_2$ using two different semiconductor photocatalysts and redox mediator , mimicking the Z-scheme mechanism of the photosynthesis. H$_2$ evolution took place on a Pt-SrTiO$_3$ (Cr-Ta doped) photocatalyst using I$^-$ electron donor under the visible light irradiation. The Pt-WO$_3$ photocatalyst showed an excellent activity of the O$_2$ evolution using IO$_3$- electron acceptor under visible light. H$_2$ and O$_2$ gases evolved in the stoichiometric ratio(H$_2$/O$_2$=2) under visible light using a mixture of the Pt-WO$_3$ and Pt-SrTiO$_3$ (Cr-Ta doped) suspended in NaI aqueous solution. We proposed a two-step photo-excitation mechanism using redox mediator under the visible irradiation.

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 보고서 초록...3
• 요약문...4
• SUMMARY...8
• CONTENTS...10
• 목차...11
• 제1장 연구개발과제의 개요...12
• 제2장 국내외 기술개발 현황...16
• 제3장 연구개발 수행 내용 및 결과...19
• 제1절. 이론적 배경...19
• 제2절. 광촉매 제조 및 실험방법...33
• 1. 광촉매 제조 및 특성 분석...33
• 2. 광반응기...37
• 제3절. 결과 및 분석...39
• 제4절. 결론...66
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...68
• 제5장 연구개발결과의 활용계획...69
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...70
• 제7장 참고문헌...71
• 특정연구개발사업 연구결과 활용계획서...76
• [첨부1] 연구결과 활용계획서...77
• [첨부2] 기술 요약서...81
• 서지정보양식(국문)...87
• 서지정보양식(영문)...88