햇빛으로 수소를 생성할 수 있는 향상된 방법 (KISTI)

일본 신슈 대학(Shinshu University), 야마구치 대학(Yamaguchi University), 도쿄 대학(The University of Tokyo), 산업기술총합연구소(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)의 연구진은 햇빛과 광촉매로 물 분자를 분리해서 수소를 생성할 수 있는 더 나은 방법을 개발했다.

 

과학자들은 온실 가스를 배출하여 지구를 따뜻하게 하는 지구 온난화의 주요 원인인 자동차의 휘발유 사용을 대체할 수 있는 방법은 찾고 있다. 주요 연구 분야 중의 하나는 자동차의 휘발유를 수소로 대체하는 것이다. 수소를 사용할 경우에 연소 시 온실 가스가 발생하지 않는다. 그러나 이러한 노력은 효율성과 경제성의 문제로 아직 완전히 상용화가 되고 있지 않다. 이번 연구진은 스트론튬과 티타늄의 산화물인 스트론튬 티탄산염(strontium titanate)을 사용하는 새로운 방법을 제안했다.

 

과학자들은 1970년대 후반부터 물 분자를 광촉매로 분해하는 방법을 사용했지만 경제성이 없다는 것을 발견했다. 높은 태양 에너지 변환 효율을 달성하려면 광촉매 반응의 양자 효율이 넓은 파장 범위에서 증가되어야 하고, 좁은 밴드갭을 가지는 반도체를 설계해야 한다. 그러나 기존의 광촉매를 사용하면 양자 효율은 일반적으로 10%보다 더 낮다. 따라서 입자성 광촉매가 100%의 양자 효율을 가지게 하는 것이 이 분야의 핵심 목표이다. 이번 연구진은 이것을 해결할 수 있는 새로운 방법을 발견했다.

 

이번 연구진은 광촉매로서 스트론튬 티탄산염을 적용하는 몇 가지 새로운 기술을 개발했다. 첫 번째 기술은 결정성을 개선하고 결정격자 속의 화학적 결함의 수를 줄임으로써 전하 재조합을 억제할 수 있었다. 두 번째 기술은 결정면 위에 공-촉매(co-catalyst)를 선택적으로 증착함으로써 전하 재결합을 추가적으로 억제할 수 있었다. 세 번째 기술은 크롬 화합물로 만들어진 보호 케이싱에 로듐(rhodium) 공-촉매를 코팅함으로써 원치 않는 부반응을 방지할 수 있었다.

 

이런 여러 가지 기술의 조합으로 더 높은 외부 양자 효율을 달성할 수 있었다. 외부 양자 효율을 높이면 물 분리에 사용되는 광자의 양을 높일 수 있어서 수소 발생을 위한 반응 속도를 향상시킬 수 있다. 이번 연구에서는 광을 주사했을 때 새로운 광촉매로 96%를 달성할 수 있었다. 이 기술이 상용화되기 위해서는 더 많은 연구가 필요하지만, 이번 연구에서는 이런 방법이 실현 가능하다는 것을 보여주고 있다.