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α-Fe2O3 광전극 촉매에 의한 태양광 물 분해

전문가 제언: ○ 태양광을 이용한 에너지 생산은 인류가 필요한 에너지를 충족시킬 수 있는 가장 이상적인 방법이다. 그러나 태양에너지를 글로벌 에너지로 선택하기 위해서는 여러 조건을 충족하여야 한다. 우선 태양에너지의 전환, 저장, 분해 방법이 친환경적이어야 한다. 그리고 안정적으로 에어지를 공급하기 위해서 태양에너지를 화학연료로 전환, 저장, 보급이 필요하다.

○ 물분해의 원천기술을 개발하기 위해서는 태양광 흡수 및 적절한 전도대(Conduction Band)와 가전자대(Valence Band) 에지의 전위위치와 밴드-캡, 넓은 표면적을 가지고 있는 광촉매 합성과 효율적으로 수소/산소 발생을 위한 촉매의 개발이 선행되어야 한다. 이 문헌에서는 산화철(α-Fe2O3)을 광전극 촉매로 하는 태양광 물분해의 최근 연구동향에 대해 소개하고 있다.

○ TiO2 전극을 이용하여 물분해를 시도한 이후 거의 40년 동안 새로운 물질을 개발하기 위한 노력이 진행되었다. 그 중에서 산화철(α-Fe2O3)은 지상에 풍부하게 존재하는 화합물이며, 적색 안료로서도 많이 알려져 있다. α-Fe2O3은 태양광을 흡수할 수 있는 산화물 광반도체이며, 600㎚까지 가시광선을 흡수할 수 있는 가시광선 응답성의 산화물 반도체이다. 그러나 α-Fe2O3의 단점은 전자 전도성이 낮으며 이방성이 있고, 광여기 상태의 수명이 매우 짧은 것이다. 이러한 결점을 극복하는 것이 고성능 α-Fe2O3 광전극 촉매 개발에 필수이다.

○ 국내에서도 α-Fe2O3 광전극 촉매 개발에 대한 연구는 연구소나 대학에서 많이 수행되고 있다. 또한 포스코와 서강대가 한국인공광합성연구센터를 설립하고 산학연 연구를 실시하고 있다. 특히 본고에서 소개한 울산과기대의 이재성팀은 나노기술을 활용한 독특한 구조(worm-like)의 산화철 광전극을 제조하고, 백금 도핑과 코발트 인산염을 조촉매로 사용하여 세계 최고인 태양광 수소 전환효율을 5.3%까지 끌어 올렸다. 향후 반도체 물질, 물의 산화/환원 전기분해 촉매, 다양한 전극구성 방법에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다.

저자: Hironori ARAKAWA
자료유형: 학술정보