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가시광으로 물 분해하는 광촉매의 연구 개발

전문가 제언: ○ 자외광형 TiO2 광촉매의 용도 개발 및 실용화가 궤도에 올라감에 따라 연구개발 중심이 가시광선에서 사용가능한 광촉매 재료의 개발로 전환되고 있다. 가시광선 응답형 광촉매는 실험실 레벨의 가능성은 보고된 바 있으나 실용이 가능한 수준의 보고는 아직 없는 상황이다.

○ 극히 최근에 가시광선 응답형 광촉매를 이용한 재료와 제품이 일부 시장에 나오기 시작하고 있다. 자외광은 태양광 중에 고작 3~4% 밖에 포함되어 있지 않으므로 보다 많은 광자가 존재하는 가시광선 이용 광촉매 개발에 크게 기대를 하고 있다. 일부 금속산화물, (옥시)나이트라이드, 옥시설파이드 등 재료는 가시광으로 물을 분해하는 잠재성을 가진 광촉매 재료로 보고된 바 있다.

○ 본고는 새로운 광촉매 재료로서 질화갈륨(GaN)과 산화아연(ZnO)으로 형성된 고용체 재료 (Ga1-xZnx)(N1-xOx)가 500nm 부근까지의 가시광선을 흡수하여 물을 수소와 산소로 분해할 수 있는 안정적인 재료라는 사실을 발견하여 그 내용을 보고한 것이다. 양자수율은 수% 정도로 아직 실용화는 어려우나 촉매조제법이나 반응조건을 최적화하면 금후에 더욱 고성능화가 가능할 것으로 기대된다고 보고하고 있다.

○ (Ga1-xZnx)(N1-xOx)는 수식되지 않은 상태에서는 물 분해에 활성을 나타내지 않으므로 수소 생성사이트로 작용하는 RuO2 등의 조촉매 미립자를 (Ga1-xZnx)(N1-xOx)의 표면에 도입하여야 한다. (Ga1-xZnx)(N1-xOx)의 광촉매 활성은 담지 되는 조촉매의 종류에 크게 의존하고 있으므로 새로운 조촉매의 개발이 활성 향상의 주요 요인이 된다.

○ 에너지?환경문제의 관점에서 깨끗하고 고갈 우려가 없는 수소에너지가 주목을 받고 있으며, 수소 제조방법으로서 광촉매를 이용하여 태양에너지로 물을 분해하는 수소제조가 활발하게 연구되고 있다. 이 반응은 에너지와 환경문제를 해결하는 궁극적인 화학반응 중 하나가 될 수 있을 것이다. 가시광 응답형 물 분해 광촉매의 개발에 유용한 참고 자료가 될 것으로 믿는다.

저자: Kazuhiko Maeda, Kazunari Domen
자료유형: 학술정보