이인환 고려대 신소재공학과 교수팀, 고효율 소수 생산 위한 2D/2D Z-scheme 이종 접합 광촉매 소재 개발
이인환 고려대 신소재공학과 교수팀, 고효율 소수 생산 위한 2D/2D Z-scheme 이종 접합 광촉매 소재 개발
  • 복현명
  • 승인 2023.03.17 09:31
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이인환 고려대학교 신소재공학부 교수. 사진=고려대.
이인환 고려대학교 신소재공학부 교수. 사진=고려대.

[스마트경제=복현명 기자] 이인환 고려대학교 신소재공학과 교수팀은 고효율 수소 생산을 위한 2D/2D 이종 접합 구조의 적철광(α-Fe2O3)/질소 도핑된 그래핀(NGr) 코어-쉘 위에 백금 단일 원자 조촉매가 부착된 광촉매를 개발해 유사 구조를 가진 광촉매와 비교해 세계 최고 수준의 수소 발생율(6.4 µmol mgcat-1h–1)을 달성했다. 

물에 단지 태양 빛을 조사하는 것만으로 수소 생산을 가능하게 하는 물질인 광촉매는 단순성,  효율성으로 인해 매우 유망한 수소생산 기술로 주목받는다. 

수소 생산 효율을 향상시키기 위해서는 빛 에너지에 의해 발생된 전자-정공 쌍을 효율적으로 수소 발생 반응에 참여시키는 것이 핵심이다. 

발생된 전자-정공쌍을 더욱 효율적으로 이용하기 위해 Z-scheme이 구현가능한 코어-쉘 구조를 채택하했고 표면적이 넓은 두 개의 2차원(2D) 재료를 활용하했다. 

이 시스템은 첫 번째 광촉매(PC I)에서 빛에 의해 생성된 더 약한 산화 정공은 두 번째 광촉매(PC II)에서 더 약한 환원 전자와 쌍을 이루는 것을 선호하게 된다. 

또한 두 개의 2차원(2D) 재료를 결합하여 코어-쉘 나노구조는 넓은 표면적 때문에 많은 촉매 반응 부위를 노출시켜 반응이 더욱 활발하게 일어난다. 이는 요소 간의 계면 접촉, 전하 이동성을 증가시켜 광유도 전자, 정공 분리를 촉진해 PHE 응용 분야를 위한 내구성 있는 광촉매 시스템을 제공한다.

촉매로 사용된 물질인 α-Fe2O3과 NGr은 다양한 고급 촉매 공정을 위한 저비용 및 환경 친화적인 촉매로 여겨진다. 

2.1~2.3eV의 밴드갭을 가진 α-Fe2O3는 가시광선 구동 광촉매로 기능하지만 낮은 전자 이동도, 광유도 전하 캐리어의 짧은 수명(~10ps), 이로 인한 짧은 정공 확산 길이(~2~4nm) 때문에 α-Fe2O3의 광전환 효율이 저하된다. 

이러한 근본적인 문제를 해결하기 위한 제안된 접근 방식은 α-Fe2O3가 PC II 역할을 하는 직접 Z 방식 이종접합 플랫폼을 제작하는 것이다. 

NGr은 2D α-Fe2O3함유 Z-scheme 시스템을 위한 유망한 PC I 역할로 적합하다. 2D NGr은 수소 생산에 유리한 음의 전도대 전위(vs. NHE)와 함께 2.2~2.4eV의 가시 범위 밴드갭을 가진다. 

한편 광촉매 표면에 금속 조촉매를 고정시키는 것은 전하 운반체 이동을 촉진하고 더 많은 활성 사이트를 제공하기 위한 또 다른 효과적인 전략으로 이번 연구에서는 백금 단일 원자 조촉매를 사용했다. 백금 단일 원자 조촉매는 원자 이용 효율을 높이고 촉매 활성을 극대화하는 데 매우 유리하다. 특히 2D 탄소 관련 구조에 백금 단일 원자 조촉매를 주입하면 면내 전하 캐리어 이동, 활용을 크게 가속화해 전체 시스템의 촉매 활성을 향상시킬 수 있다.

그 결과 백금 단일 원자가 부착된 2D/2D Z-scheme α-Fe2O3/NGr 코어-쉘 광촉매는 가시광선 파장에서 6.4 µmol mgcat-1h–1으로 대조군에 비교해 최대 16배의 수소 발생 효율을 보였고 이 수치는 삼원계 Z-scheme 기반의 광촉매에서 세계 최고 수준의 효율이다. 

이는 제작된 광촉매의 빛 수확을 위한 넓은 표면적, 손쉬운 전하 분리와 전달, 백금 단일 원자의 작업 가능성을 포함해 직접적인 2D/2D Z-scheme 코어-쉘 제조의 우수성 때문이다.

이번 연구를 통해 고효율 수소 생산을 위한 백금 단일 원자가 부착된 2D/2D Z-scheme α-Fe2O3/NGr 코어-쉘 광촉매를 개발했고 이를 이용해 빛 에너지가 수소로 전환되는 삼원계 광촉매 시스템의 작동에 대한 통찰력을 얻을 수 있었다.

한편 한국연구재단 미래기술연구실사업(2021M3H4A1A02051284)의 지원을 받아 수행한 이번 연구는 Engineering, Environmental 분야 최상위 학술지인 Applied Catalysis B: Environmental(IF= 24.319)에 3월 11일자로 온라인 게재됐다.
 

 

복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr


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