초록 ▼

연구개요
▷ 태양광을 이용한 광화학적 물분해 반응을 통해 지속가능한 청정 수소연료 생산 및 이산화탄소 전환을 위한 광촉매 물분해 시스템을 개발하고자, (1) 금속표면 플라스몬 공명(surface plamon resonance)에 기반한 플라즈모닉 광흡수체 개발 및 (2) 플라즈모닉 광흡수체에서 발생하는 열전자(hot electron)의 화학적 변환을 극대화하는 구조를 규명하여, 가혹한 물분해 조건에서 장시간동안 매우 안정적으로 작동하며, 외부의 추가적인 전기공급이 없는 상황에서 태양광만으로 수소생산과 CO₂

연구개요
▷ 태양광을 이용한 광화학적 물분해 반응을 통해 지속가능한 청정 수소연료 생산 및 이산화탄소 전환을 위한 광촉매 물분해 시스템을 개발하고자, (1) 금속표면 플라스몬 공명(surface plamon resonance)에 기반한 플라즈모닉 광흡수체 개발 및 (2) 플라즈모닉 광흡수체에서 발생하는 열전자(hot electron)의 화학적 변환을 극대화하는 구조를 규명하여, 가혹한 물분해 조건에서 장시간동안 매우 안정적으로 작동하며, 외부의 추가적인 전기공급이 없는 상황에서 태양광만으로 수소생산과 CO₂ 전환이 가능한 플라즈모닉 물분해 반응 시스템 개발하고자 한다.

연구 목표대비 연구결과
▷ 1차년도(목표대비 결과 달성): Layer-by-layer (LbL) 증착공정, 나노전사프린팅 기법, E-beam 증착 등의 다양한 기법을 이용하여 0차원, 1차원, 2차원의 금 나노구조체 및 Au/TiO₂ 이종접합 구조를 목표에 맞게 제작함. 이 구조에 코발트 기반 물산화 촉매, 수소생산을 위한 백금 촉매를 도입하여 구조에 따른 광학적 특성과 광 물분해를 가능함을 확인함.
▷ 2차년도(목표대비 결과 달성): 금 나노입자의 적층, 금 나노선 패턴의 stacking 및 AAO 주형을 이용한 금 나노막대 또는 나노튜브 제작을 통해 3차원의 Au/TiO₂ 나노구조 제작 완료하였고 광학적 특성을 평가함. 또한, 이렇게 제작한 3차원의 Au/TiO₂ 나노구조에 물 산화, 환원 촉매를 성공적으로 도입하고 물 분해 전극을 구현하고 특성을 평가하였음.
▷ 3차년도(목표대비 결과 달성): 3차원 Au/TiO₂ 구조에서 입사광 각도와 구조체 계면 구조에 따른 열전자 수확 효율 변화를 확인함. 이를 기반으로 열전자 주입효율을 극대화하기 위한 최적의 구조를 탐색함. 또한 다양한 촉매와 전극 계면의 불안전성을 ALD와 폴리도파민 박막 코팅으로 완화시킴. CO₂ 전환 분자 촉매도 도입하여 물 분해뿐 아니라 CO₂ 전환을 통한 포름산 생성도 가능함을 확인.
금 나노구조의 local heating에 의한 물분해 활성 증가는 없는 것으로 확인되었고 촉매 활성은 열전자에 의한 것임을 확인.
▷ 최종적으로 외부 전기 공급 없이도 향상된 효율과 안전성을 가지는 광 물 분해 및 CO₂ 전환 플라즈모닉 광전극을 구현.
▷ 본 연구 과제를 통해 목표했던 총 6편보다 많은 10편의 논문을 발표하였고 20여회가 넘는 학회 발표로 결과를 정리하였음. 또한 1건의 특허 출원과 1건의 특허 등록을 완료.

연구개발결과의 중요성
▷ 본 연구에서 개발하는 플라즈모닉 물분해 반응시스템은 화석 연료의 사용을 배제하고 태양에너지를 청정 에너지원인 수소 생산 또는 이산화탄소 전환을 통한 고부가가치를 갖는 탄소기반 연료 재생을 통해 화학연료의 형태로 전환하여 대체 에너지원을 확보할 수 있으며, 기존 연구들의 문제점을 해결하고 새로운 대안을 제시하기 위한 광촉매 물분해 반응시스템을 개발함으로써 획기적인 원천기술 및 지적재산권 등을 확보할 수 있음.
▷ 본 과제의 기초연구결과는 물분해 반응 이외에도 바이오센서 및 전자 디바이스 등 다양한 학문 분야에서 매우 중요한 기반 기술로 적용이 가능함.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• (1) 연구의 개요 ... 4
• (2) 연구개발의 필요성 및 중요성 ... 4
• (3) 연구의 목표 및 범위 ... 6
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 7
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 14
• (1) 태양광 흡광을 위한 다양한 플라즈모닉 나노구조체 제작 방법론 확보 ... 14
• (2) 광 물 분해 환경에서 플라즈모닉 구조체의 열전자 수확 및 전달 메커니즘 연구 ... 15
• (3) 플라즈모닉 전극 표면에 다양한 촉매 도입 및 촉매 안정성 제고 ... 15
• (4) 친환경 태양광 에너지 전환 시스템 구현 ... 15
• (5) 타분야 적용 및 파급 가능 연구 결과 확보 ... 15
• 4. 참고문헌 ... 16
• 5. 연구성과 ... 16
• 대표적 연구실적 ... 22
• 끝페이지 ... 37