초록 ▼

- 슈퍼컴퓨터를 활용한 전산모사시스템을 광촉매재료 설계에 도입하여, 태양광을 활용할 수 있는 가시광 광촉매를 설계하였고, 설계된 광촉매 표면(2D) 반응 연구와 수소제조메카니즘을 규명 및 나노기술, 광화학기술등 신기술 융합에 의해 효율이 높은 가시광 감응성 광촉매 물질을 개발코자 하는 새로운 광촉매 개발 페러다임 도입 및 이에 의한 신규 개발된 광촉매의 촉매 성능향상 연구를 수행하였음.
- 다양한 수소제조용 광촉매 합성법을 개발하였고, 이를 활용하여, 신촉매 개발 가능성이 크다고 알려진 주기율표 상의 d10계 복합산화물들을 체

- 슈퍼컴퓨터를 활용한 전산모사시스템을 광촉매재료 설계에 도입하여, 태양광을 활용할 수 있는 가시광 광촉매를 설계하였고, 설계된 광촉매 표면(2D) 반응 연구와 수소제조메카니즘을 규명 및 나노기술, 광화학기술등 신기술 융합에 의해 효율이 높은 가시광 감응성 광촉매 물질을 개발코자 하는 새로운 광촉매 개발 페러다임 도입 및 이에 의한 신규 개발된 광촉매의 촉매 성능향상 연구를 수행하였음.
- 다양한 수소제조용 광촉매 합성법을 개발하였고, 이를 활용하여, 신촉매 개발 가능성이 크다고 알려진 주기율표 상의 d10계 복합산화물들을 체계적으로 설계, 합성하고 그 특성과 성능을 분석함으로써 다수의 가시광 활성이 우수한 신규 광촉매를 개발할 수 있었다. 이 종합적인 가시광계 신규 광촉매 결과들은(40종 이상) 연구 결과로 하나의 library로 구축되었으며, 더나아가 신규 가시광 광촉매 물질을 추가적으로 개발하여 library에 추가 하고 향후 연구에서도 이를 지속적으로 보완, 확대해 나갈 예정이다.
- 본 연구로 개발된 신규 가시광 촉매를 사용하여 가시광하에서 세계최고 수소제조 광효율 달성: 가시광 광효율(quantum yield) = ~20% 또는 태양광 광효율(STH) = 3%@AM 1.5 달성)
- 본 연구팀은 연구목표를 달성하기 위해 연구분야를 고효율의 WO3, Fe2O3 나노물질 합성 및 전극제조, 신 가시광 광촉매 및 감응제 개발과 이들 물질의 특성평가로 크게 분류하였다. 먼저, WO3와 Fe2O3는 각각의 나노입자를 합성하여 광전극을 제조하여 광전류를 측정하였다. 광감응 대체물질 개발에 있어서는 착화합물 리간드로 형성된 광감응제를 합성하고, 이를 TiO2에 결합하여 전환 수율이 높은 광감응/$TiO_2$계 광촉매를 개발하는 연구, 신활성상 광촉매를 개발하고 이를 이용한 복합광촉매 개발에 관한 연구등을 수행하였다. 그리고, 합성된 광촉매들의 전자구조 규명을 통해서는 각 원소들의 에너지 구조 및 이들이 광촉매의 에너지 밴드형성에서 미치는 영향을 조사하고자 하였다. 광반응에 있어서는 광촉매 및 전해질의 계면에서의 특성 및 광촉매의 안정성을 평가하기 위해 광전기화학적특성을 조사하였다. 특히 산화물 반도체 물질을 이용하여 만든 광전극은 단계목표인 3%의 STH 효율을 달성하였다.

Abstract ▼

A. Objective
Goal :
I. Design and preparation of composite metal oxide photocatalysts for solar hydrogen production system (The photocatalytic efficiency ~ 3% @AM 1.5, aq. H2S)
II. Development of Photocatalysts for Photoelectrochemical Cell Application with STH efficiency of 3% under AM 1.5

A. Objective
Goal :
I. Design and preparation of composite metal oxide photocatalysts for solar hydrogen production system (The photocatalytic efficiency ~ 3% @AM 1.5, aq. H2S)
II. Development of Photocatalysts for Photoelectrochemical Cell Application with STH efficiency of 3% under AM 1.5 Solar Irradiation
B. Yearly Objectives and Scope
▶ 1st year
○ Search for highly efficient photocatalytic materials with visible light sensitivity by group, i.e., such as $d^0$, $d^10$ using computer simulation.
○ Optimization of synthetic process for highly efficient photocatalytic materials.
○ Characterization and examination of newly prepared photocatalysts.
○ Development of p/n-type visible-light photocatalysts.
○ Synthesis of $WO_3$, $Fe_2O_3$ with high photoactivity
○ Synthesis of photosensitizers with high efficiency and good stability
▶ 2nd year
○ Design of new $d^10$ photocatalysts using quantum mechanical material design and study of their 2D structure-activity relationship(I)
○ Synthesis and optimization of bulk metal oxide photocatalysts by soft chemical approaches
○ Development of film type reactor for solar-hydrogen production system
○ Development of p/n junction technology with synthesized photocatalysts
○ Evaluation of WO3, $Fe_2O_3$ photoactivity and fabrication of photoelectrode
○ Fabrication of photosensitizer/TiO2 composite
▶ 3rd year
○ Design of new $d^10$ photocatalysts using quantum mechanical material design and study of their 2D structure-activity relationship(II)
○ Synthesis of composite metal oxide photocatalysts such as oxy-nitride, oxy-chalcogenide, oxy-carbide by our proprietary chemical approaches
○ Establishment of a demonstrative reaction system for solar-hydrogen production.
○ Fabrication of photoelectrode with p/n junction materials
○ Evaluation of photoelectrochemical properties with photoelectrode

목차 Contents

• 제출문...1
• 보고서 초록...4
• 요약문...5
• SUMMARY...11
• CONTENTS...15
• 목차 ...17
• 세부과제I 소재설계 및 나노구조적 특성제어에 의한 광화학적 수소 제조기술 개발...19
• 제1장 연구개발과제의 개요 ...21
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ...22
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...25
• 제1절 광촉매 구조 전산모사 ...25
• 제2절 신규 광촉매 개발 ...34
• 제3절 신규 광촉매의 다양한 합성법 개발 ...45
• 제4절 화염반응기를 이용한 산화물 광촉매 제조법 개발 ...109
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...134
• 제1절 연도별 연구분야의 목표 달성도 ...134
• 제2절 관련 연구분야의 기술발전에의 기여도 ...135
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...136
• 제1절 추가 연구의 필요성 ...136
• 제2절 타 연구에의 응용 ...136
• 제3절 국내 광촉매 산업에 영향 ...136
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ...138
• 제7장 참고문헌 ...139
• 세부과제II PEC용 층상페롭스카이트 및 복합광촉매 개발...143
• 제1장 연구개발과제의 개요...145
• 제1절 PEC용 층상페롭스카이트 및 복합광촉매 연구개발의 목적...145
• 제2절 PEC용 층상페롭스카이트 및 복합광촉매 개발의 필요성 및 범위...146
• 제2장 국내외 기술개발 현황...148
• 제1절 기술적인 측면...148
• 제2절 경제적/사회적 측면...150
• 제3절 현 기술의 문제점 및 해결방안...150
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과...153
• 제1절 접근방법...153
• 제2절 연구내용...153
• 제3절 연구결과...154
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...217
• 제1절 연구목표...217
• 제2절 연구평가의 착안점 및 척도...217
• 제5장 연구개발결과의 활용계획...219
• 제1절 기술적 응용잠재력...219
• 제2절 사업화로서의 활용가능성...219
• 제3절 연구개발성과의 산업?공공분야 파급효과...219
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...221
• 제7장 참고문헌...222