초록 ▼

❏ 연구개요
■ 본 연구의 최종 목표는 적외선/가시광 흡수 특성을 지닌 탄소계열 광촉매(g-C3N4, carbon quantum dots(QDs), carbon nanotubes(CNTs))를 이용한 고효율 태양광 CO2 전환 메탄올 합성 selectivity 향상 기초연구에 있다.
■ 이의 실현을 위해 탄소계열 광촉매를 적용한 높은 CO2 메탄올 전환 selectivity 및 가시광/적외선 감응 특성을 지닌 photo-cathode(대표적인 광촉매 전극은 Carbon QDs / CaFe2O4 / Cu2O / g-C3N4

❏ 연구개요
■ 본 연구의 최종 목표는 적외선/가시광 흡수 특성을 지닌 탄소계열 광촉매(g-C3N4, carbon quantum dots(QDs), carbon nanotubes(CNTs))를 이용한 고효율 태양광 CO2 전환 메탄올 합성 selectivity 향상 기초연구에 있다.
■ 이의 실현을 위해 탄소계열 광촉매를 적용한 높은 CO2 메탄올 전환 selectivity 및 가시광/적외선 감응 특성을 지닌 photo-cathode(대표적인 광촉매 전극은 Carbon QDs / CaFe2O4 / Cu2O / g-C3N4 / FTO 및 CNTs / CaFe2O4 / InP / RGO / FTO 구조) 제작공정의 확보와 CO2 메탄올 합성 selectivity 특성 규명에 초점을 맞추어 진행된다.
■ 최종목표 달성을 위한 주요 연구내용은 다음과 같다. 1) CO2 해리 HCO3-, CO32- 이온의 흡착 및 환원반응의 활성화 기초연구, 2) photo-excited 전자-홀의 분리/전달 메커니즘 기초연구, 3) H2 발생 반응(2H+ + 2e- = H2) 억제 연구, 4) CO2 메탄올 selectivity 전환 메커니즘 규명, 5) CO2 전환 메탄올 selectivity > 80% 목표의 탄소계열 광촉매 메탄올 selectivity 전극 설계
● 1단계: 탄소계열 광촉매 메탄올 selectivity 전극 설계 및 이의 CO2 해리 이온의 활성화 기초연구
● 2단계: photo-excited 전자-홀의 분리/전달 메커니즘 및 H2 발생 억제 기초연구
● 3단계: 탄소 소재가 적용된 광촉매 전극의 CO2 메탄올 selectivity 전환 메커니즘 규명

❏ 연구 목표대비 연구결과
■ 인구증가와 산업화에 따른 화석 연료의 수요 급증이 지구 온난화와 자원 고갈의 문제를 야기 하였고 이의 해결이 전 세계적인 이슈로 등장하였다. 현재 지구온난화의 대표 온실가스인 CO2의 처리는 주로 포집하여 저장하는 방식으로 향후 유출가능성이 높으므로 환경문제의 근본적인 해결 방법은 아니다.
■ 이에 근본적인 문제 해결의 한 방법으로서 공기 중 CO2를 태양광 에너지를 이용하여 연료 화학물질(메탄올 등)로 전환하여 그 연료를 활용(CCU: carbon capture and utilization)하는 기술에 대한 관심과 중요성이 전 세계적으로 확산되고 있다.
■ 이와 같은 CO2 전환 연료활용 기술은 대기 중 CO2 감소에 따른 지구 온난화 환경문제의 해결 뿐 아니라 에너지 고갈 문제의 동시적인 해결책으로서 그 중요성은 높다. 특히 태양광 CO2 전환으로 생성된 메탄올은 가솔린의 대체물로서 사용가능하며 에틸렌과 프로필렌 같은 주요 화학물질의 합성에 필요한 원료로서 사용되며, 또한 건축 재료, 화학 산업 원료 등으로 활용할 수 있으므로, 태양광 CO2 메탄올 전환 기술은 상용화될 경우 고부가가치 산업의 창출이 가능할 것이다.
■ 태양광을 이용한 CO2 전환 메탄올 합성 selectivity 향상 연구관련 문제점의 해결방안에 대해, 지금까지 보고되지 않은 내용을 중심으로 본 과제에서 진행예정이며, 그 내용을 요약하면 다음과 같다.

1. 탄소계열 광촉매 메탄올 selectivity 전극 설계 기술 확보
■ 탄소계 가시광촉매 PANI 적용 ZnS shell/ZnO core 광 전극 제작 및 특성 확보
■ g-C3N4 / FTO glass, RGO / FTO glass 전극의 VIS/IR 흡수 및 sheet resistance(Rs, Ω) 특성 확보
■ chemical bath deposition(CBD) InP 혹은 Cu2O nanorod / (g-C3N4 혹은 RGO) / FTO glass 제작 확보
■ binary metal oxide(CaFe2O4) polyol 합성 공정 확보
■ VIS/IR 흡수 carbon QDs 합성과 nanorod 흡착 연구 및 quantum confinement 특성을 통한 CO2 전환 메탄올 합성 selectivity 향상 기술 확보
■ CNTs의 합성과 nanorod 흡착 연구 및 CO2 전환 메탄올 합성 selectivity 향상 기술 확보

2. CO2 해리 HCO3-, CO32- 이온의 흡착 및 환원반응의 활성화 특성 확보
■ g-C3N4와 RGO edge 및 표면전하의 CO2 해리 이온 흡착 효과 분석
■ 광촉매 shell/core CaFe2O4 / (CuO 혹은 InP) 활성화 결정면(hkl)의 CO2 해리 이온 흡착 및 환원 특성 확보
■ 계면결함(O vacancy, lattice distortion, stacking fault) 효과 분석
■ amorphous 혹은 crystalline carbon QDs 표면, CNTs 내/외벽 CO2 해리 이온 흡착 및 환원 특성 확보

3. photo-excited 전자-홀의 분리/전달 메커니즘 분석 및 해석
■ InP 혹은 Cu2O nanorod / (g-C3N4 혹은 RGO)의 orbital 전자-홀의 분리/전달 메커니즘 분석
■ carbon QDs과 CNTs skin current 특성 및 메커니즘 분석

4. H2 발생 반응(2H+ + 2e- = H2) 억제 기술 확보
■ carbon QDs과 CNTs 표면의 H+ 흡착 및 환원 H2 발생 억제 기술 확보
■ CaFe2O4 표면 H2 발생 연구 및 이의 표면 modification(amino(-NH2) ligand graft, carbon film coating) H2 발생 억제 ⇒ CO2 환원 활성화 특성 확보

5. CO2 메탄올 selectivity 전환 메커니즘 규명
■ 탄소계열 광촉매 전극(Carbon QDs / CaFe2O4 / Cu2O / g-C3N4 / FTO 구조와 CNTs / CaFe2O4 / InP / RGO / FTO) CO2 메탄올 합성 selectivity 연구
■ CO2 메탄올 합성 전극 안정성(stability), 내구성(durability) 연구
■ CO2 환원 메탄올의 산화/환원반응 연구

❏ 연구개발결과의 중요성
■ 본 연구의 목표 달성을 위해 나노구조 복합반도체의 제작공정 확보 및 나노구조 제어를 통한 고효율 CO2 메탄올 전환 selectivity 특성 향상이 중요하며, 이를 위해 적정 에너지 밴드 구조를 지닌 물질의 다양한 접합구조에서 나노구조 분석 및 촉매의 광전기화학적 특성 해석과 계면반응 메커니즘의 이해가 중요하므로 본 연구의 방법과 결과는 여타 공학 분야에도 학문적인 기초자료로 활용될 가능성이 높다.
■ 또한, 본 연구는 다양한 형태의 나노구조 반도체의 개발로 광촉매 CO2 변환 메탄올 합성 효율을 극대화시키는 연구이므로 유사한 특성을 지닌 나노구조 물질을 사용한 수소저장장치분야나 수소감지 시스템분야, 태양전지분야 그리고 광촉매 공기나 물 정화 시스템과 같은 분야에 직접 관련된다. 따라서 본 연구 결과는 이론적, 실험적 기초 자료로 활용되어 다양한 전자부품 개발 분야에서 필요한 지식기반 역할을 할 수 있을 것으로 기대 된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• (1) 태양광 CO₂ 전환 메탄올 합성 기술의 필요성 ... 4
• (2) 연구의 최종목표 및 연구범위 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• (1) CO₂ 해리 이온(HCO₃-, CO₃²-)의 흡착 및 환원반응의 활성화 기초연구 ... 5
• (2) photo-excited 전자-홀의 분리/전달 기초연구 ... 5
• (3) H₂ 발생 반응(2H++2e-=H₂) 억제 기초연구 ... 7
• (4) CO₂ 메탄올 변환 selectivity 향상 메커니즘 규명 및 selectivity 향상 전극 설계를 통한 CO₂ 메탄올 전환 효율 향상 ... 7
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 8
• 4. 참고문헌 ... 9
• 5. 연구성과 ... 9
• 끝페이지 ... 10