초록 ▼

□ 연구개요
화석연료 소비량의 증가로 이산화탄소 배출량과 대기 중의 2차입자 미세먼지가 급증하고 있다. 이러한 심각한 환경문제를 해결하기 위해, 다층 계면 구조로 이루어진 광반응 필름을 이용한 다기능 인공 광합성 시스템을 개발하고자 한다. 본 연구에서는 이러한 광반응 필름을 제작하기 위하여 (1) 전자-정공 생성층인 유기 반도체 나노 섬유(g-C₃N₄), (2) 광효율 촉진제인 그래핀 (N,S-도핑된 Graphene, SNG), (3) 광흡수 확장제인 Transition Metal Dichalcogenide(TMD) 재료들을

□ 연구개요
화석연료 소비량의 증가로 이산화탄소 배출량과 대기 중의 2차입자 미세먼지가 급증하고 있다. 이러한 심각한 환경문제를 해결하기 위해, 다층 계면 구조로 이루어진 광반응 필름을 이용한 다기능 인공 광합성 시스템을 개발하고자 한다. 본 연구에서는 이러한 광반응 필름을 제작하기 위하여 (1) 전자-정공 생성층인 유기 반도체 나노 섬유(g-C₃N₄), (2) 광효율 촉진제인 그래핀 (N,S-도핑된 Graphene, SNG), (3) 광흡수 확장제인 Transition Metal Dichalcogenide(TMD) 재료들을 전기방사법 및 수열합성법을 이용하여 표면적을 극대화 할 수 있도록 제작하고자 한다. 또한, 다층계면의 필름타입을 제작하는 이유는 가시광선의 전체 영역을 활용할 수 있는 창의적인 인공 광합성 시스템을 개발한다는 데 있다. 이러한 시스템은 태양광에 의한 에너지를 무한정으로 사용할 수 있으며, 다층계면 구조 재료를 이용하여 이산화탄소를 일산화 탄소, 메탄 천연가스 및 메탄올로 변환시킬 수 있는 인공 광합성 과정을 통해 기존 화석연료 대체 가능한 새로운 연료로 사용되어 친환경적인 에너지 순환이 가능할 것으로 기대된다.

□ 연구 목표대비 연구결과
(1) 1차년도: 전기방사법을 이용한 g-C₃N₄ 나노섬유 제조 및 수열합성법을 통한 SNG, TMD 물질 합성
지지대로 작용되는 polyacrylonitrile 나노섬유의 전기방사 조건을 확립하여 코팅과 소결공정을 통해 중공 g-C₃N₄ 나노섬유를 제조하는데 성공하였고, 수열 합성법을 이용하여, 그래핀 옥사이드 용액으로부터 수층을 가지는 황과 질소가 도핑된 그래핀 시트를 각각 합성하는데 성공하였다.
(2) 2차년도: g-C₃N₄/SNG 나노 섬유 및 TMD 합성 조건 최적화하여 혼합 구조를 설계하였고 중공 g-C₃N₄ 나노섬유, MoS₂, SNG의 최적의 비율에 대한 연구 뿐만 아니라 전구체 양을 조절하여 in-situ 수열합성법으로 합성하는 데 성공하는 등 최적의 다층계면구조를 설계대로 제작하았다. 또한, 필름 타입이 가능한 반응기 모델의 디자인을 완료하였다.
(3) 3차년도: TMD/ S/N이 도핑된 그래핀/나노 섬유 구조 최적화 및 에너지 변환 효율을 측정하기 위하여 TiO₂/ SNG /MoS₂ 다층계면구조의 미세구조를 확인 후, 이산화탄소 광환원 특성평가를 진행하였고, 최적의 필름 조건을 모색하였다. 생산된 가스들을 분리시키기 위한 가스 분리기를 설계하고 반응기에 맞는 가스 분리 시스템을 제작 중에 있다. 빛과 필름과의 반응성을 최대화하기 위하여 최적화된 다층계면구조의 필름을 이용하여 이산화탄소 광환원을 시도하였고 그 결과, 수소, 일산화탄소 및 메탄가스를 생산하는 데 성공하였다.

□ 연구개발결과의 중요성
- 귀금속과 같은 독성 및 고가의 촉매를 사용하지 않아 가격 측면에서 월등하게 뛰어나고 위험성이 적은 인공 광합성용 촉매를 제작하는데 성공하였고, 천연 가스 생산 및 오염원 제거에 대한 데이터베이스를 구축하는 등 관련 분야의 원천 기술 확보가 가능할 것이라 예상된다.
- 특히 다층계면구조 물질의 종류와 비율을 달리하여 구조를 제어하고 빛의 흡수 스펙트럼을 다양하게 조절하는 연구는 매우 도전적일 뿐 아니라, 국내외적으로 관심 있는 분야이기에 활용 분야인 인공 광합성 분야에서 학문적으로 원천기술을 확보할 수 있게 되었다.
- 이산화탄소 발생을 최소화하여 지구 온난화 현상을 최소화하고 이산화탄소 배출량을 본 연구에서 개발된 다층 계면 구조를 이용하여 대폭 감소시킬 수 있어 환경 정책에 이바지 할 수 있을 것으로 기대한다. 이러한 연구 결과는 모험과제에서 얻고자 하는 혁신적이고 창의적 아이디어를 실제 연구 성과로 연결 시켰다는 점에서 큰 의미를 부여 할 수 있다.
- 인공 광합성 시스템 구축을 통해 관련 연구인력을 배출할 수 있을 뿐 아니라 연료 저장 및 운반 인프라를 구축하여 얻어진 천연가스를 대체 연료로 사용할 수 있다. 이러한 노력은 석유 자원을 대체하여 원유 수입량 감소 및 에너지원에 따른 해외 의존도를 감소할 수 있을 것으로 기대한다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 가. 연구개발의 필요성 ... 3
• 나. 연구의 가설 및 최종목표 ... 4
• 다. 연구범위 ... 6
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 8
• 가. 연구수행내용 및 연구결과 ... 8
• 나. 연구수행 및 연구방법/과정의 적절성 ... 29
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 30
• 가. 연구 결과의 의미 및 중요성 ... 30
• 4. 참고문헌 ... 31
• 5. 연구성과 ... 32
• 끝페이지 ... 34