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가시광 물 분해를 위한 새로운 광촉매 반응계 개발

전문가 제언: ○ 고갈되어 가는 화석자원을 대체할 에너지로 태양광에 의한 물 분해를 통해 수소를 제조하는 것은 매우 결정적이고 매력적인 에너지 문제 해결책으로 기대되고 있다. 산화티탄을 광전극으로 사용하여 물의 분해가 가능하다는 사실이 보고된 이래 반도체 광촉매를 사용하는 물 분해에 관련된 연구가 활발하게 이루어져 왔으나 태양광 에너지의 대부분을 차지하는 가시광을 사용하는 물 분해는 오랜 기간의 도전에도 불구하고 아직까지 실용화 단계에 이르지 못하였다.

○ 반도체 광촉매를 사용하여 물을 분해하는 목적은 태양광을 이용하여 수소 제조 시스템을 실용화하기 위한 것이다. 지표에 도달하는 태양광 스펙트럼의 반은 가시광이며 자외광은 겨우 수% 정도이다. 가시광 영역의 광을 이용한다면 800㎚까지의 경우에는 25%의 최대 에너지 변환효율을 얻을 수 있어 에너지 변환효율이 비약적으로 향상된다.

○ 물의 분해에 사용되는 반도체는 물의 환원전위보다 부의 전도대 수준을 가져야 하며 물의 산화전위보다 정의 가전자대 수준을 가져야 하며 광조사 시 반도체 자신이 산화 환원되지 않고 안정할 것 등의 3가지 조건을 만족해야 한다. 그러나 산화물 반도체는 안정성은 우수하나 그 전도대 에너지 수준이 물의 환원전위보다 높아 수소 생성에 적합하지 않으며 황화카드뮴으로 대표되는 색소 등의 비산화물은 에너지의 관점에서 물의 가시광 분해에는 적합하나 안정성이 부족하여 역시 산소 생성에 적합하지 않은 것으로 알려져 있다.

○ 본고의 필자들은 가시광에 의한 물 분해를 실현시키기 위해 식물의 광합성을 모방하여 2단계 광여기형 물 분해 시스템 구축을 검토하였는데 물 분해반응을 수소 생성계와 산소 생성계로 나누어 양자를 가역적인 산화 환원 쌍에 의해 연결하는 방법을 채택하여 가시광에 의한 물 분해 시스템 개발에 성공한 것으로 보고하고 있다. 본고에서는 필자들이 개발한 2단계 여기형 광촉매에 의한 물 분해 방법에 대한 개념 및 앞으로 이 기술의 발전 전망을 소개하고 있어 그 내용이 매우 흥미롭다.

저자: R. Abe
자료유형: 학술정보