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희생시약 존재 하에 산화물반도체를 사용한 청정 수소나 산소의 빛 이용 생산

전문가 제언: ○ 앞으로 다가올 수소경제 시대에 주역이 될 수소의 생산은 현재 화석연료에 기인한 탄화수소의 수증기 개질이나 원자력발전소 등으로부터의 심야 잉여전력을 이용한 물의 전기분해가 실용적 방안으로 거론되고 있다. 그러나 광촉매에 의해 태양광에너지를 직접 화학에너지로 변환하여 물에서 수소를 생산하는 그린 환경 기술이 요망되고 있다.

○ 현재 광촉매로 가장 역사가 오래된 반도체 TiO2는 3.1eV의 띠 간격이 커서 자외광만을 흡수하므로 태양광의 대부분인 가시광을 이용하여 물을 분해하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서 반도체 광촉매의 띠 간격은 과전압이 필요하므로 물 분해전압 1.23eV와 약 3.0eV 사이에 있어야 한다. 또한 반도체 전도대의 하단이 물의 수소 환원준위보다 음성적이어야 하고 가전자대 상단이 물의 산소 산화준위보다 양성적이어야 한다. 그렇지 않으면 희생시약이 필요하다.

○ 광촉매로는 최외곽 d 궤도에 전자가 없는 Ti4+, Nb5+,Ta5+과 같은 d0 이온과 최외곽 d 궤도가 전자로 모두 채워진 Ga3+, In3+, Sn4+ 등의 d10 금속이온만이 전분해의 광학적 물분해 능력을 가진다. 금속의 산화물이 주가 되지만 질화물 등도 있다. 희생시약으로는 환원제로 알콜, 황화물, 아황산염, 산화제로 과황산염, 은이온 등이 사용된다.

○ 본문에서는 메탄올 환원제를 이용하여 자외광으로 물에서 수소를 생산할 수 있는 헥토라이트/TiO2의 개발과, 중간막 H4Nb6O17/TiO2의 H4Nb6O17/Pt에의 삽입에 의한 H4Nb6O17/Pt, TiO2의 제조 및 성능 평가를 설명하고 있다. H4Nb6O17의 활성도는 K4Nb6O17보다 3.5배 크고, H4Nb6O17의 활성도는 백금과 TiO2의 겸용으로 각각 4.2배와 8.5배 향상된다고 보고하고 있다.

○ 순수 ZnO는 질산은의 존재 하에 자외광 영역에서만 물에서 산소를 생성하지만, 전이금속 Co2+를 첨가한 Zn0.9Co0.1O이 자외광 영역 외 500 ~700nm의 가시광 영역에서 흡수피크를 보여 Mn2+, Ni2+ 첨가보다 큰 활성도를 보유하는 개발내용도 보고하고 있다. 하루 빨리 태양의 가시광선을 이용한 물 분해로 수소를 대량 생산하는 시대가 오기를 바란다.

저자: S. Ekambaram
자료유형: 학술정보