Development of visible light-sensitizing TiO2 photocatalysts with hydrogen and nitrogen mixed energy states for solar energy conversion

Abstract

오늘날 이산화탄소 절감 및 처리 문제는 단순한 환경적 문제를 넘어 국가 산업 경제적 측면에서도 주요한 사안이 되었습니다. 이를 위한 여러 가지 관련 기술들이 개발되고 있는 가운데, 이산화탄소의 포집 및 활용법은 (Carbon Capture and Utiliza-tion, CCU) 자연계의 광합성 원리를 기반으로 태양에너지, 물, 이산화탄소를 이용하여 현재 연료소비체계에 바로 적용 가능한 탄화수소 화합물 연료를 생산해 내는 에너지 순환 기술로 1) 지구상에 풍부한 태양에너지와 물을 주원료로 사용하고, 2) 태양에너지를 저장 및 수송이 가능한 화학물질로 변환함으로써 일교차에 따른 태양에너지의 불규칙함을 극복할 수 있고, 3) 화석연료의 무분별한 사용으로 발생되는 CO2 기체를 감소 및 활용 할 수 있다는 특징으로 많은 주목을 받고 있습니다. 또한 인공적인 광합성 과정을 통해 CO2를 변환하면 일산화탄소 (CO), 메탄 (CH4), 메탄올 (CH3OH), 포름산 (HCOOH), 수소 (H2) 등의 기상 및 액상의 화학물질들을 얻게 되는데, 이들은 대부분은 현재 우리 실생활에 사용중인 대체에너지원보다 월등히 높은 에너지밀도를 가지고 있으므로 갈수록 수요가 높아지고 있는 에너지 수급체계를 해결해 줄 수 있다는 이점도 가지고 있습니다.

상술한 CCU 기술의 핵심은 태양에너지를 받아 물을 산화시키고 동시에 CO2를 환원시키는 인공광합성 기술을 구현해내는 광촉매 물질을 개발 하는 것으로 다음과 같은 주요한 요소들을 만족시켜야 합니다. 1) 광범위한 파장대의 태양 빛을 흡수하고, 2) 흡수한 빛 에너지를 통해 산화/환원 반응을 하기에 충분한 힘을 가지는 전하가 (전자-정공쌍) 발생되어, 3) 발생된 전하에서 전자와 정공이 높은 확률로 서로 분리되고, 4) 분리된 전하와 정공이 서로가 다시 재결합되는 현상 없이 각각의 산화/환원 반응 지점으로 안전하게 이동하여, 5) 각각의 반응 지점으로 운반된 전하와 정공이 소비되면서 산화/환원 반응이 일어나게 되어 목표로 하는 화학물질이 생성되어야 합니다.

본 연구는 상기 5가지 요소를 만족시키면서 지표면에 풍부한 광물을 이용하여 오래 사용하기에 안정하고 경제적이며 인제 및 환경에 무해한 인공광합성 반응용 광촉매를 개발 하는 것을 목표로 하였습니다. 지금까지 연구된 여러 가지 광촉매 물질들 중에서도 이산화 티타늄은 (TiO2) 본 연구에 목표로 한 요소들에 부합하는 점이 많으나 반대로 태양에너지 변환 효율이 매우 낮다는 치명적인 단점을 가지고 있습니다. 그 주요한 원인으로 1) 넓은 밴드 갭 크기로 인해 자외선 영역의 태양 빛만을 에너지원으로 사용할 수 있어 전체 태양 스펙트럼의 4% 밖에 활용하지 못하고, 2) 반도체 물질 특성상 빛을 받아 발생된 전자-전공쌍이 안전하게 분리되지 못하고 높은 확률로 재결합되어 최종적인 산화/환원 반응에 활용 되는 수가 현저히 적다는 것입니다. 이러한 이산화 티타늄의 인공광합성용 광촉매로서의 활용에 대한 연구는 1970년대부터 지금까지 전세계적으로 꾸준히 이어져 오고 있으나 아직까지 큰 개선을 이루지 못한 채 아직 연구단계에 머물러 있습니다.

본 연구에선 질소와 수소원소를 이용하여 이산화탄소의 두 가지 단점을 간편하면서 동시에 해결하는 방법을 제시하였습니다...