| 초록 |
1972년 Honda와 Fujishima는 TiO2 반도체 광촉매를 이용한 물의 광분해 반응을 발견하면서, 물의 광분해에 의한 태양광 에너지 변환의 가능성이 나타남에 따라 크게 이목을 집중하게 되었고, 그에 대한 연구는 비약적으로 발전을 계속하고 있다.물을 광분해하여 수소를 제조하는 방법은 광전기화학적 방법(photoelectrochemical process)과 광촉매(photocatalyst)를 이용한 방법이 있다.그중 광촉매(photocatalyst)를 이용한 방법은 반도체물질을 입자형태로 제조한 광촉매를 물에 분산시켜 광을 조사하여 물을 분해시키는 방법으로 개발 초기엔 주로 광촉매로 TiO2를 사용한연구가 많았으나, TiO2의 물분해 광효율이 낮아 TiO2는 현재 주로 오염물 분해 광촉매로서 이용되고 있다. 그보다 조금 진보된 단일산화물인 반도체 구조인 SrTiO3 등도 개발되었으나, 수소발생효율이 너무 낮다 (5μmol/g·cat·hr).일본의 K. Domen 등은 기존의 TiO2나 SrTiO3보다 활성이 보다 우수한 K4Nb6O7과 같은 Perovskite계 광촉매를 개발하여 자외광을 사용하여 물분해 활성을 수백 μmol/gcat·hr 수준으로 끌어올렸다. 가시광선영역에서 물분해능이 있는 oxide계 광촉매로는 Cr3+이온을 dopind 시킨 TiO2, α-Fe2O3, /MV2+, CuFeO2(delafossite)등으로 광촉매 자체가 oxide물질로써, 광촉매가 광반응시 분해되는 광분해(photocorrosion)에는 강하지만 촉매효율이 너무 낮아 실용화 하기는 어렵다.가시광선영역에서 물을 광분해 할 수 있는 대표적인 sulfide계 광촉매는 CdS로써, 물분해 광촉매로써, 이상적인 band gap energy 와 band edge position을 가지고 있으나, photocorrosion에 약한 단점을 가지고 있다. 따라서, CdS의 photocorrosion을 막기 위하여 Nafion같은 proton exchange 가 될 수 있는 polymer 물질로 coating 시키거나, CdS촉매를 개질하여 촉매의 수명을 증가시키는 연구가 행하여지고 있다. CdS의 photocorrosion을 막기 위한 또 다른 방법은 sulfite 나 sulfide등의 hole scavenger를 사용하는 것인데, 이들 물질은 상용화된 간단한 방법으로 대량으로 생성되는 산업 폐기물로부터 얻을 수 있으며, 특히 석탄 및 석유 정제과정에서 대량으로 생기는 SO2 함유 산업 폐가스로 부터 얻을 수 있어, 이들 폐가스 발생 산업과 연계한 경우 물의 광분해로 의한 청정 원료인 수소의 제조 뿐 만 아니라 산업기물 처리도 동시에 이룰 수 있다. 그리고 반응 생성물 또한 산소를 포함하지 않은 순수 수소만을 생성하기 때문에 생성된 산소 및 수소를 분리하는 공정을 생략할 수 있을 뿐만 아니라 생성된 혼합가스(산소 및 수소)로 인한 폭발사고에 대한 안전성까지 향상됨으로써, 현실적으로 실용화에 가장 근접한 수소제조 시스템이라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 가시광선영역에서 물분해 광촉매로써, 이상적인 band gap energy 와 band edge position을 가진 동시에 수명이 증가된 신규 복합 sulfide계 광촉매 시스템개발 및 이의 개량을 연구 목표로 한다. |
