초록 ▼

- 본 연구에서는, 광촉매로 이용될 수 있는 반도체 물질의 전자 구조를 양자모델링에 의한 전산모사로 계산(first principle electronic calculations)하여, 원자단계에서부터 근원적으로 최적 신규 광촉매의 성분 구성을 예측하는 "bottom-up" 설계방법의 개발과, 이 설계에 의해 제조된 광촉매를 미시적 분광법 등으로 특성을 파악하고 확인하는 새로운 패러다임의 광촉매 개발법을 시도하였다. 이를 통해 신촉매 개발 가능성이 크다고 알려진 주기율표상의 d10 계 복합산화물들을 체계적으로 설계, 합성하고 그 특성

- 본 연구에서는, 광촉매로 이용될 수 있는 반도체 물질의 전자 구조를 양자모델링에 의한 전산모사로 계산(first principle electronic calculations)하여, 원자단계에서부터 근원적으로 최적 신규 광촉매의 성분 구성을 예측하는 "bottom-up" 설계방법의 개발과, 이 설계에 의해 제조된 광촉매를 미시적 분광법 등으로 특성을 파악하고 확인하는 새로운 패러다임의 광촉매 개발법을 시도하였다. 이를 통해 신촉매 개발 가능성이 크다고 알려진 주기율표상의 d10 계 복합산화물들을 체계적으로 설계, 합성하고 그 특성과 성능을 분석함으로써 다수의 가시광 활성이 우수한 신규 광촉매를 개발할 수 있었다.
- 가시광하에서 높은 활성을 가지는 (PbBi2Nb2O9) 합성을 수행하였으며, 수열합성법을 통하여 p-type material과 n-type material을 junction하여 복합 가시광 광촉매를 개발하였다. 그리고 가시광 감응성 염료-TiO2 복합 광촉매 개발하였다.
- 수소제조 효율의 최적입자 3nm 내외의 colloidal CdS 제조 (양자수율 0.45%)하였다. 제조된 CdS는 Mesoporous 소재 및 Metal oxide에 담지하여 수소제조 시 CdS의 광부식감소 용이하게 하였다. 그리고 수소제조 시스템구성을 위한 광촉매 지지체 구성 하였다.
- 광촉매의 광감응과 이에 따른 전하쌍 생성/분리력을 바이오촉매(엔자임)의 양성자 환원능과 결부하여 태양광 감응 수소제조 기술 시스템을 구성하였다. 슬러리시스템에 이은 셀분리형 시스템으로 각 세부기술의 근본적 장단점을 부각시켰으며, 전자의 상간 전달이 매우 중요하였다 (대략 159 mL/(hr×m2)으로 0.98% @ UV흡수 40 J/(s×m2)).
- 투명산화물막인 TiO2, 전도성 고분자 막등을 이용한 전극 보호막의 개발 및 Co-Mo 환원반응 촉매막과 FeNiOx 계열의 산화반응 촉매막에 대한 연구를 통해 2단계의 7%광효율 PEC전지 시스템구성에 대한 기반을 구축하였다. 우선 전착법, 화학조증착, SILAR(Successive ionic layer adsorption and reaction) 분무 열분해법 등을 통해 CdSe 광전극, TiO2 보호막, 산화반응 및 환원반응 촉매막에 대한 연구를 진행하였으며 PV 태양전지를 이용해서 12X12cm2 크기의 PEC전지 시스템 구성을 시도하였다.

Abstract ▼

A. Objective
- Design and preparation of photocatalysts sensible to solar light
- Establishment of the basic technology for photocatalytic reaction system
(The photocatalytic efficiency ~ 1% @ monochromatic visible light)
B. Yearly Objectives and Scope
▶ 1st Year
○ Computer simulat

A. Objective
- Design and preparation of photocatalysts sensible to solar light
- Establishment of the basic technology for photocatalytic reaction system
(The photocatalytic efficiency ~ 1% @ monochromatic visible light)
B. Yearly Objectives and Scope
▶ 1st Year
○ Computer simulation for photocatalyst design, development of synthetic methods, and
characterization of photocatalysts prepared by intercalation or doping of anions/cations
○ Setup of lab-scale photocatalytic reaction system hybridized with biocatalyst
○ Establishment of photochemical characterization system for PEC electrode materials
○ Preparation of Q-sized CdS & ZnS, and mesoporous support material
▶ 2nd Year
○ Preparation of photocatalysts using quantum mechanical material design & characterization by
nanometer scale structural measurement
○ Morphology modification of TiON (fiber and/or tube) photocatalyst and hybridization with selected
hydrogenase (Pyrococcus furiosus)
○ Establishment of anti-photocorrosion technology for PEC electrode
○ Design of solar-hydrogen production system using an anoxic optical fiber
▶ 3rd Year
○ Materials design and synthesis of photocatalysts of the bulk and/or composite metal
oxide type with the visible light sensitivity
○ Establishment of lab-scale photo-biocatalyst hybrid system
○ Establishment of lab-scale PEC reaction system (10cm×10cm) and anti- photocorrosion
technology
○ Establishment of lab-scale optical fiber reaction system

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...3
• 보고서초록...6
• 요약문...7
• Summary...12
• CONTENTS...16
• 목차...21
• 과제 I. 소재설계 및 나노구조적 특성제어에 의한 광화학적 수소 제조기술 개발...26
• 제1장 연구개발과제의 개요 ...27
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ...28
• 제3장 연구개발 수행내용 및 결과 ...30
• 제1절 광촉매 구조 전산모사...31
• 제2절 신규 광촉매 개발 ...52
• 1. ZnBiGaO4 및 CdAlGaO4 반도체 광촉매 ...52
• 2. 경제적인 금속 산화물 광촉매 제조 방법 개발 ...56
• 3. Oxynitride계 신규 가시광 광촉매 제조 ...61
• 4. Oxysulfide계 계 신규 가시광 광촉매 제조 ...66
• 5. 막 반응기를 이용한 수소발생 실험 장비 구성 ...78
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...80
• 제5장 연구개발 결과의 활용계획 ...81
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ...82
• 제7장 참고문헌 ...83
• 과제 II. 층상페롭스카이트 및 복합광촉매 개발...85
• 제1장 연구개발과제의 개요 ...86
• 제1절 연구개발의 목적 ...86
• 제2절 필요성 및 범위 등을 기술 ...87
• 제1장 기술개발의 필요성...87
• 제2장 기술개발의 범위...87
• 제2장 국내외 기술개발 현황...89
• 제1절 기술적인 측면 ...89
• 제2절 경제적/사회적 측면 ...92
• 제3절 현 기술의 문제점 및 해결방안 ...92
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...94
• 제1절 이론적, 실험적 접근방법 ...94
• 제2절 연구내용 ...94
• 제3절 연구결과 ...95
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...155
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...156
• 제6장 참고문헌 ...158
• 과제 III. Q-sized 광촉매 및 mesoporous media를 적용한 물분해 anoxic 태양광수소제조 시스템 개발...159
• 제1장 연구개발과제의 개요 ...160
• 제2장 국내외 기술개발 현황...163
• 제1절 물분해 수소제조를 위한 국내외 광촉매 제조기술 현황...163
• 1. 반도체 표면에 금속도금...166
• 2. 복합 반도체 광촉매...168
• 3. 전이금속 도핑...168
• 4. 표면 광감응...170
• 제2절 메조포러스 물질의 합성과 광촉매에 응용...170
• 제3절 국내외 동향에서의 위치...172
• 제3장 연구개발 수행내용 및 결과...176
• 제1절 이론적 배경 및 실험적 접근 방법...176
• 1. 태양에너지를 이용한 물분해 수소제조 ...176
• 2. 물분해 수소제조를 위한 광촉매 특성...176
• 3. 메조포러스 물질의 광촉매에 응용...183
• 4. Anoxic system...188
• 5. 수소제조 태양광화학반응 시스템...189
• 제2절 연구 내용 및 결과...195
• 1. CdS 콜로이드와 CdS/zeolite nanocompsite ...195
• 2. CdS/layered compound 합성 및 수소제조...206
• 3. Oxynitride doped TiO2 ...219
• 4. CdS와 CdS/Metal Oxide ...230
• 5. 수소제조 광화학반응기 시스템...239
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...253
• 제1절 연차별 연구개발 목표와 결과 및 이에 대한 달성도...253
• 제2절 연차별 세부연구목표의 가중치와 평가의 착안점 및 척도...254
• 제3절 연차별 세부목표, 연구내용 및 범위, 달성도...255
• 제4절 관련분야 기여도...256
• 1. 가시광 광촉매 제조...256
• 2. 연구개발 성과의 실용화...257
• 제5장 연구개발 결과의 활용계획...259
• 제1절 추가연구의 필요성...259
• 1. 광촉매 고정화...259
• 2. 고효율 광촉매 제조...259
• 3. 태양광을 이용한 수소제조 시스템...259
• 제2절 타 연구에의 응용...259
• 제3절 기업화 추가 방안...261
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...262
• 제7장 참고문헌...277
• 과제 IV. 가시광감응 전이금속촉매와 바이오촉매를 활용한 수소제조 기술 개발...280
• 제1장 연구개발과제의 개요...281
• 제1절 연구개발과제의 목적...281
• 제2절 연구개발과제의 필요성...282
• 제3절 연구개발과제의 범위...283
• 제4절 광촉매 이론 ...283
• 제2장 국내외 기술개발 현황...286
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과...290
• 제1절 반응시스템 구축을 위한 예비 실험...290
• 제2절 광촉매와 바이오촉매의 슬러리형 복합 연구...307
• 제3절 셀 분리형 광촉매/바이오촉매 복합 수소제조 시스템 ...339
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...362
• 제5장 연구개발결과의 활용계획...364
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...364
• 제7장 참고문헌...365
• 과제 V. PEC(photoelectrochemical)전지를 이용한 수소제조기술...366
• 제1장 연구개발과제의 개요...367
• 제1절 : PEC전지의 개념...367
• 제2절 : 물로부터 수소생산...368
• 제2장 국내외 기술개발 현황...371
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...373
• 제1절 : CdSe의 특성 및 전착법...373
• 제2절 : TiO2 산화물...379
• 제3절 : 산화, 환원반응 촉매막...382
• 제4절 : 실험 및 분석 ...386
• 제5절 : 결과 및 토의...392
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...433
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...435
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...436
• 제7장 참고문헌 ...438